WO2020114850A1 - Kontinuierliches verfahren zur gewinnung eines kristallinen monosaccharides und vorrichtung zur kontinuierlichen kristallisierung - Google Patents

Kontinuierliches verfahren zur gewinnung eines kristallinen monosaccharides und vorrichtung zur kontinuierlichen kristallisierung Download PDF

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WO2020114850A1
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crystallizer
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monosaccharide
magma
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Mirko LÖHN
Holger Fersterra
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Bma Braunschweigische Maschinenbauanstalt Ag
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Definitions

  • the invention relates to a continuous process for the production of a crystalline monosaccharide and a device for the production of a crystalline monosaccharide, in particular for carrying out the continuous process according to the invention.
  • Evaporation crystallizers and cooling crystallizers are used for the crystallization of saccharides, the structure and mode of operation of which are known to the person skilled in the art. In order to prevent spontaneous crystal formation,
  • Al lulose (D-psicose) is a monosaccharide from the group of ketohexoses, which has become producible in larger quantities through the development of new processes (Takeshita et al., Journal of Bioscience and Bioengineering Vol. 90, No. 4, p. 453 to 455, 2000; Korean Patent Application No. 10-2009-0118465, CJ Cheiljedang Corp. Korea).
  • the crystal growth can be influenced by numerous factors, for example by the crystallization temperature and type, the mixing of the crystal suspension and the type of sugar. These factors can affect the yield, shape and size of the sugar crystals. Again, the shape and size of the crystals and their concentration in the crystal suspension can affect the flow behavior of the crystal suspension in a plant.
  • Another object is to enable a continuous process with high efficiency and yield in large quantities with the method or the device.
  • this object is achieved by a method according to claim 1. With a view to the device, this object is achieved by the subject matter of claim 15.
  • At least one of these objects is preferably achieved by the continuous process according to the invention for obtaining a crystalline monosaccharide, the continuous process preferably being a continuous one
  • Crystallization of the monosaccharide in a main crystallizer separating crystals of the monosaccharide from a crystal suspension (a crystallization mixture) to obtain crystalline monosaccharide, continuously forming a mass of crystallization magma for the main crystallizer in a cascade (from pre-crystallizers) and continuously feeding one Solution containing the monosaccharide and a mass of a crystallization magma from the at least one pre-crystallizer of the last stage of the cascade into the main crystallizer to provide the crystal suspension.
  • evaporation and / or cooling crystallization is carried out continuously on a crystal suspension in the main crystallizer in order to grow crystals of the monosaccharide in the crystal suspension.
  • the continuous formation of a mass of crystallization magma for the main crystallizer takes place in a cascade, the cascade connected in series comprising at least a first and a last stage and each stage comprising at least one precrystallizer, with in the at least one precrystallizer of the first stage
  • Solution with monosaccharide is inoculated by monosaccharide seed crystals to obtain a (so-called) pre-crystallization magma, and from the pre-crystallization magma by means of cooling crystallization and / or evaporation crystallization, a mass of crystallization magma is formed for the downstream stage, and wherein in the at least a pre-crystallizer of the last stage solution with monosaccharide and a mass of crystallization magma from the upstream stage is supplied to obtain a pre-crystallization magma, and in the at least one pre-crystallizer of the last stage from the pre-crystallization magma by means of cooling crystallization and / or
  • Evaporative crystallization forms a mass of crystallization magma for the main crystallizer.
  • the crystallization magma is continuously provided in sufficient masses so that the entire process can be carried out continuously.
  • the crystal growth can be controlled under the given conditions and leads to coordinated crystal suspensions, so that the process can be carried out continuously in an industrial plant, so that the outlay on equipment is minimized.
  • the multi-stage crystallization magma generation allows a targeted influence on the particle size distribution. In the subsequent continuous crystallization in
  • the crystal size growth can be adjusted very precisely to the target crystal size. Furthermore, the continuous process has high efficiency and yield, as explained below.
  • the continuous crystallization of the monosaccharide in the main crystallizer takes place by cooling or alternatively by evaporation or by a combination of the two methods.
  • Evaporation crystallization can be carried out under atmospheric pressure or preferably below.
  • Evaporation crystallization and / or cooling crystallization in each case continuously or batchwise, are also known to the person skilled in the art.
  • the continuous crystallization of the monosaccharide in a main crystallizer can be used, for example, with a BMA OVC (vertical cooling crystallizer with oscillating cooling tube bundles, "Oscillating vertical cooling crystallizer”).
  • the continuous crystallization of the monosaccharide in a main crystallizer can be carried out in the case of evaporation crystallization using a BMA VKT (evaporation crystallization tower).
  • Advantages result from continuous crystallization better space Time yields, a reduction in the set-up times for cleaning, filling and emptying, the achievement of higher throughput quantities with less space requirement.Overall, productivity is significantly increased, whereas batch production is much more labor intensive.
  • solutions, crystal suspension, the pre-crystallization magma, the crystallization magma, the seed suspension etc. preferably have water as the solvent in the present patent application.
  • solvents are also conceivable, in particular alcohols and mixtures thereof with water.
  • a "solution containing the monosaccharide” describes a solution comprising the monosaccharide and fed to the main crystallizer.
  • a “solution with monosaccharide” describes a solution which comprises the monosaccharide and is fed to a pre-crystallizer.
  • the "solution containing the monosaccharide” does not differ from the “solution with monosaccharide”.
  • the "solution with monosaccharide” is the “solution containing the monosaccharide”.
  • the solution with monosaccharide and the solution containing the monosaccharide can have the same components and properties, i.e. be identical, or have different components and properties, i.e. be different.
  • the solution with monosaccharide and the mass of crystallization magma from the upstream stage can be combined in the at least one pre-crystallizer of each stage or before.
  • the solution containing the monosaccharide and the mass of crystallization magma can be combined in the main crystallizer or in advance. Inoculate the solution with monosaccharide
  • Monosaccharide seed crystals can be in the at least one pre-crystallizer first stage and / or in an upstream inoculation device.
  • the at least one pre-crystallizer of the first stage can comprise an inoculation device.
  • the cooling or evaporation crystallization in one stage of the cascade can take place at any time depending on the quality criteria of the crystallization magma (e.g. shape, size, size distribution, viscosity)
  • Monosaccharides are terminated. Since the yield (crystal mass formed based on the starting mass of the crystal-forming substance in the solution / solutions or degradation of the dry substance in the liquid phase) is determined in the step of continuous crystallization in the main crystallizer, the yields within the cascade are insignificant for the overall process .
  • the crystallization process is initiated and a defined crystal size is generated in the
  • the monosaccharide seed crystals can be added in dry form or by adding in the form of a seed suspension, a so-called slurry, in which the monosaccharide seed crystals are suspended in a suspending agent.
  • the seed suspension is made from crystalline monosaccharide of high purity (> 99%) by crushing, preferably by grinding crystalline monosaccharide with isopropanol or by grinding a supersaturated, aqueous
  • Monosaccharide solution prepared so that the suspended particles preferably have a size of 10 to 20 pm.
  • pre-crystallization magma or a mass of crystallization magma in the at least one pre-crystallizer of the first stage corresponding calculation equations can be used (e.g.: V. Gnielinski, A. Mersmann, F. Thurner: “Evaporation, crystallization, drying ", Springer crampmedien Wiesbaden GmbH 1993) the necessary crystal concentration (number of crystals in the amount to be inoculated) is calculated depending on the crystal size of the seed suspension, the desired final size of the crystals, the crystal content to be achieved and the crystal shape.
  • the pre-crystallization magma and the crystallization magma contain crystals of the monosaccharide.
  • the pre-crystallization magma is preferably a suspension with crystals of the monosaccharide and is formed from a solution with monosaccharide and a mass of crystallization magma or monosaccharide seed crystals.
  • a crystallization magma is preferably formed from the pre-crystallization magma in a pre-crystallizer by crystallization.
  • the crystallization magma is preferably used to inoculate a solution with monosaccharide in a pre-crystallizer and / or to inoculate a solution containing the monosaccharide in the main crystallizer.
  • the pre-crystallization magma and the crystallization magma contain crystals of the monosaccharide.
  • crystallizer preferably describes a device, in particular for carrying out a crystallization process.
  • a pre-crystallizer is preferably a crystallizer, in particular for generating crystallization magma.
  • main crystallizer preferably describes a device in which a large part of the crystalline monosaccharide is formed.
  • dwell time describes the hydraulic dwell time that results from the volume of a crystallizer divided by the volume flow.
  • each stage comprises a single pre-crystallizer and in the pre-crystallizer of each stage a mass of crystallization magma is continuously formed from the pre-crystallization magma by means of evaporative crystallization.
  • Evaporation crystallization can be carried out continuously whereby a mass of crystallization magma can be continuously formed. Due to the cascade of pre-crystallizers, a large mass can accumulate
  • each stage comprises two to three precrystallizers and in the precrystallizers of each stage a mass of crystallization magma is formed discontinuously by means of cooling crystallization and / or continuously by means of evaporative crystallization, the mass of crystallization magma, which is the Main crystallizer is fed continuously, with discontinuous formation by means of cooling crystallization alternately from the pre-crystallizers of the last stage.
  • crystallization magma is formed discontinuously by means of cooling crystallization in only one pre-crystallizer per stage, there is no continuous supply and also a sufficient amount in the main crystallizer for a continuous crystallization process.
  • This problem can be overcome by this previously described embodiment. Since each stage has a plurality of pre-crystallizers, crystallization magma can be continuously fed into the main crystallizer alternately from a plurality of pre-crystallizers in the last stage even when using a batch cooling crystallization.
  • the pre-crystallizers of the stages are connected to one another in such a way that a continuous supply of the crystallization magma from the last stage of the cascade to the continuously operating main crystallizer is ensured.
  • precrystallizers of the stages can be interconnected in a variety of ways.
  • Evaporation crystallization is used in particular when the general conditions for evaporation crystallization of the monosaccharide are given. These depend on the temperature sensitivity of the solution and the solubility of the product. If the solubility increases only moderately or very little with increasing temperature, then evaporative crystallization is preferably used, and then often also operated under vacuum. If the solubility increases sharply with increasing temperature, the preferred crystallization method is cooling crystallization.
  • the first stage has one to two, preferably two, pre-crystallizers, the last stage two to four, preferably three, pre-crystallizers and a further stage two to four, preferably two, pre-crystallizers, each in the pre-crystallizers Stage from the pre-crystallization magma discontinuously by means of cooling crystallization a mass of crystallization magma is formed and the mass of crystallization magma which is continuously fed to the main crystallizer is alternately fed from the pre-crystallizers of the last stage.
  • the pre-crystallizers of the same stage each form the same mass of crystallization magma.
  • the mass of crystallization magma that is formed in a pre-crystallizer of a stage exceeds the mass of crystallization magma that is formed in a pre-crystallizer of the upstream stage by a factor of 2 to 12, preferably 4 to 7.
  • the mass of crystallization magma can be increased considerably with each step, so that enough crystallization magma can be ensured for a continuous supply of a mass of a crystallization magma into the main crystallizer and thus a continuous crystallization of the monosaccharide in the main crystallizer.
  • the factor cannot be increased arbitrarily, since in the pre-crystallization magma in the pre-crystallizers there must be a certain concentration of supplied crystallization magma in order to achieve efficient and predictable crystal growth.
  • the cascade between the first and the last stage comprises one to eight, preferably one to three, most preferably one, further stage or stages connected in series, the further stage or further stages each having at least one precrystallizer .
  • the further stage or further stages each having at least one precrystallizer .
  • the mass of crystallization magma which is led from the last stage of the cascade into the main crystallizer can be further increased by further stages.
  • the mass of crystallization magma can be increased considerably with each additional stage, so that enough crystallization magma can be ensured for a continuous supply of a mass of a crystallization magma into the main crystallizer and thus a continuous crystallization of the monosaccharide in the main crystallizer.
  • the preferred number of stages enables predictable crystal growth that matches the chemical physical properties of the monosaccharide and the desired ones
  • the stages or the at least one pre-crystallizer of each stage are connected to one another in such a way that it is possible to omit further individual stages.
  • This is particularly advantageous in order to be able to maintain or clean the system continuously. Furthermore, this is advantageous in order to generate smaller amounts of crystallization magma if less crystallization magma is required for the main crystallization.
  • the monosaccharide seed crystals have an average diameter of 5 to 50 pm, preferably 10 to 20 pm.
  • a temperature gradient of the crystal suspension over the length of the main crystallizer is set from 70 to 15 ° C. and preferably from 45 to 25 ° C.
  • cooling crystallization is carried out continuously on a crystal suspension in the main crystallizer, the crystal suspension in the main crystallizer preferably being cooled from 70-30 ° C. to 35-15 ° C.
  • cooling crystallization is carried out continuously on a crystal suspension in the main crystallizer, the crystal suspension being cooled in the main crystallizer from preferably 70-33 ° C., preferably to 32-15 ° C.
  • the cooling crystallization in the continuously operating main crystallizer works with a temperature gradient (temperature profile) depending on the monosaccharide from top to bottom.
  • the temperature of the crystal suspension in the region of the supply of the solution containing the monosaccharide and of the crystallization magma (above) is preferably from 70-30 ° C. and am
  • Discharge range of the crystal suspension (below) preferably from 35 - 15 ° C.
  • cooling crystallization is carried out continuously on a crystal suspension in the main crystallizer, the crystal suspension being cooled in the main crystallizer from preferably 45-35 ° C., preferably to 30-20 ° C.
  • This embodiment is particularly preferred if it is a continuous process for obtaining crystalline allulose.
  • the residence time of the crystal suspension in the main crystallizer is 30 to 70 hours.
  • each precrystallizer preferably one or more solutions, suspensions, pre-crystallization magma and / or crystallization magma, from a stirrer with a specific
  • the type of stirrer, the shape of the stirrer and the specific energy input via the stirrer must be based on the specific viscosities in the individual stages of the cascade.
  • an inclined-blade shovel or propeller stirrer is preferably used to suspend the crystals in the liquid phase.
  • an Intermig cross bar or blade stirrer is preferably used in the medium viscosity range (0.5 to 5.0 Pas).
  • anchor and spiral agitators are preferably used.
  • the main crystallizer is preferably fed the solution containing the monosaccharide and a mass of crystallization magma in a mass ratio of 1: 5 to 1:20, preferably 1: 7 to 1:11.
  • crystalline monosaccharide can be efficiently formed in large quantities in a relatively short time with high yield.
  • the solution with monosaccharide for the pre-crystallizers preferably has a supersaturation of 0 to 60%.
  • the crystallization magma is made available from an upstream stage to the downstream stage and mixed with fresh, in particular crystal-free solution with monosaccharide with an oversaturation of 0 to 60% within the metastable range.
  • the dwell times in the respective stages are preferably determined by the prevailing supersaturation (state of equilibrium).
  • the process is controlled by determining the dry matter content of the liquid phase or the crystallization magma, for example by determining the refractive index, by radiometric density measurement or microwave measurement.
  • optical methods can also be used to detect undesirable new crystal formation and thus to optimize the process.
  • the inventive method at the end of the cascade creates a crystallization magma with a defined number of crystals of desired grain size and grain size distribution, which can be used as a crystallization magma for controlled crystal growth in the continuously operating main crystallizer.
  • the solution containing the monosaccharide is preferably supersaturated when fed into the main crystallizer.
  • crystalline monosaccharide can be efficiently formed in large amounts in a short time with high yield in the main crystallizer.
  • the mass of crystallization magma When fed into the main crystallizer, the mass of crystallization magma preferably has a crystal content of 1 to 5% (% by weight) and / or an average particle diameter of 50 to 150 ⁇ m.
  • crystalline monosaccharide can be efficiently formed in large amounts in a short time with high yield in the main crystallizer.
  • the crystals in the main crystallizer grow to a size that is favorable for further processing.
  • Crystals of the monosaccharide having an average diameter of 200 to 400 ⁇ m and / or a purity of> 99% are preferably separated off to obtain crystalline monosaccharides.
  • the size and purity of the separated crystalline monosaccharide make it suitable for further processing.
  • the size and the purity of the separated crystalline monosaccharide result from the procedure according to the invention.
  • the pre-crystallization magma in the pre-crystallizers and / or the crystal suspension in the main crystallizer is cooled by 0.1 to 5.0 K / h.
  • the crystal growth rate can be influenced by changing the cooling rate.
  • a cooling rate of 0.1 to 5.0 K / h crystallization occurs in the metastable range and the formation of fine grains due to uncontrolled primary nucleation or secondary nucleation is largely avoided. Homogeneous crystal growth and a small particle size distribution can thus be achieved.
  • separating crystals of the monosaccharide from the crystal suspension comprises centrifuging
  • the method comprises a step in which the solution with monosaccharide, preferably with a supersaturation of 0 to 60%, and / or the solution which contains the monosaccharide and which is preferably supersaturated is formed from a solution containing monosaccharide by evaporation .
  • the method can comprise a drying step, for example in a fluidized bed or drum dryer, which is preferably followed by product cooling, if necessary with conditioned air.
  • Part of the present invention is also a crystalline monosaccharide with an average diameter of 200 to 400 pm and / or a purity of> 99%.
  • Part of the present invention is also a crystalline monosaccharide obtained by a method according to the invention or using a device according to the invention.
  • the invention is also based on the object of specifying a device for obtaining a crystalline monosaccharide, in particular for carrying out the continuous process according to one of claims 1 to 14.
  • the device according to the invention comprises a main crystallizer with means for continuously carrying out evaporation and / or cooling crystallization on a crystal suspension to produce crystal growth of crystalline monosaccharide in the crystal suspension, means for separating crystals of the monosaccharide from the crystal suspension.
  • the device according to the invention further comprises a cascade for the continuous formation of a mass of crystallization magma for the main crystallizer.
  • the cascade connected in series, comprises at least a first and a last stage, each with at least one pre-crystallizer, means for inoculating a solution with
  • the apparatus further comprises means for continuously feeding a solution containing the monosaccharide and a mass of a crystallization magma from the at least one pre-crystallizer of the last stage of the cascade into the main crystallizer to form the crystal suspension.
  • each stage comprises a single one
  • each stage comprises two to three pre-crystallizers and the cascade means for the discontinuous formation of a mass of crystallization magma by means of cooling crystallization and / or for the continuous formation of a mass of crystallization magma by means of
  • the cascade comprises means for continuously supplying a mass of crystallization magma, alternately from the precrystallizers of the last stage, to the main crystallizer.
  • At least one stage of the cascade comprises more than one pre-crystallizer and the pre-crystallizers have the same stage each have means for forming preferably equal masses of crystallization magma.
  • precrystallizers can be connected to one another in various ways per stage.
  • the first stage has one to two, preferably two, pre-crystallizers
  • the last stage has two to four, preferably three, pre-crystallizers and a further stage two to four, preferably two, pre-crystallizers
  • the cascade has means around in the pre-crystallizers of each stage from the pre-crystallization magma discontinuously by means of cooling crystallization to form a mass of crystallization magma and the cascade has means to supply the mass of crystallization magma continuously and alternately from the pre-crystallizers of the last stage to the main crystallizer.
  • the stages or the at least one pre-crystallizer of each stage are connected to one another in such a way that it is possible to omit further individual stages.
  • This is particularly advantageous in order to be able to maintain or clean the system continuously. Furthermore, this is advantageous in order to generate smaller amounts of crystallization magma if less crystallization magma is required for the main crystallization.
  • the device comprises at least one centrifuge for separating crystals of the monosaccharide from the crystal suspension.
  • the device for continuous separation comprises a plurality of centrifuges, the centrifugation in the plurality of centrifuges preferably being carried out in batches.
  • the device comprises a drying unit, in particular a fluidized bed or drum dryer, which is preferably followed by product cooling, if necessary with conditioned air.
  • a drying unit in particular a fluidized bed or drum dryer, which is preferably followed by product cooling, if necessary with conditioned air.
  • the device comprises an evaporation station in which the solution is evaporated from a monosaccharide-containing solution by evaporation and preferably setting a suitable evaporation rate
  • Monosaccharide preferably with a supersaturation of 0 to 60%, and / or the solution which contains the monosaccharide and which is preferably supersaturated is formed.
  • the precrystallizers are preferably designed such that the mass of crystallization magma which is formed in the precrystallizers increases by a factor of 2 to 12, preferably 4 to 7, with each stage starting from the first stage.
  • the cascade between the first and the last stage preferably comprises one to eight, preferably one to three, most preferably one, further stage or stages connected in series, the further stage or further stages each having or having at least one pre-crystallizer.
  • the cascade preferably has means for introducing solution with monosaccharide and a mass of crystallization magma from the preceding stage into the at least one pre-crystallizer of each further stage in order to obtain pre-crystallization magma, and means for forming a mass of crystallization magma in the at least one pre-crystallizer of each further stage for the downstream stage from the pre-crystallization magma discontinuously by means of cooling crystallization and / or continuously by means of evaporative crystallization.
  • the device preferably comprises means for providing monosaccharide seed crystals with an average diameter of 5 to 30 pm, preferably 10 to 20 pm.
  • the main crystallizer has means for setting a temperature gradient of the crystal suspension over the length of the main crystallizer from 70 to 15 ° C. and preferably from 45 to 25 ° C.
  • the main crystallizer has means for continuously performing a cooling crystallization on a crystal suspension in the main crystallizer and for cooling the crystal suspension in the main crystallizer from preferably 70-30 ° C., preferably down to 35-15 ° C.
  • the main crystallizer has means for continuously performing a cooling crystallization on a crystal suspension in the main crystallizer and for cooling the crystal suspension in the main crystallizer from preferably 70-33 ° C., preferably down to 32-15 ° C.
  • the device is a device for obtaining crystalline allulose and the main crystallizer has means for continuously carrying out cooling crystallization on a crystal suspension in the main crystallizer and for the crystal suspension in the main crystallizer of preferably 45-35 ° C. preferably cool down to 30 - 20 ° C.
  • the precrystallizers preferably each have a stirrer with a specific power input of 0.1 to 4 kW / m 3 , preferably 0.5 to 2.0 kW / m 3 .
  • each pre-crystallizer has several stirrers in order to achieve the same technical effect described above.
  • the means for continuously supplying a solution containing the monosaccharide and for continuously supplying a mass of crystallization magma to the main crystallizer are designed such that the main crystallizer has the solution containing the monosaccharide and a mass of crystallization magma in a mass ratio from 1: 5 to 1:20, preferably 1: 7 to 1:11.
  • the device comprises means for cooling the pre-crystallization magma in the pre-crystallizers and / or the crystal suspension in the main crystallizer by 0.1 to 5.0 K / h.
  • the monosaccharide of the process according to the invention or the device according to the invention or the monosaccharide according to the invention is in particular a monosaccharide with a melting point of 90 to 165 ° C.
  • it is a monosaccharide of the D configuration. It is particularly preferably a hexulose, a hexose, a pentose or a tetrose with a melting point of 90 to 165 ° C.
  • the monosaccharide is very particularly preferably a hexulose, in particular psicose (allulose), in particular D-psicose.
  • the invention is tert an exemplary embodiment.
  • Show Fig. 1 shows a main crystallizer according to an apparatus of the present
  • Fig. 2 main crystallizer and pre-crystallizers in a cascade with three
  • the solution containing the monosaccharide and the solution with monosaccharide are identical, i.e. they contain the same ingredients in equal amounts.
  • the solution is thickened in an evaporation station.
  • the main crystallizer 10 has injection points 2 for a solution containing the monosaccharide.
  • the injection points 2 are distributed along the height of the main crystallizer 10 and over the circumference of the main crystallizer 10.
  • injection points form an injection ring at the same height. Eight such injection rings are distributed over the height of the main crystallizer 10. The valves are clocked so that all injection points of an injection ring are open or closed.
  • a mass of crystallization magma is introduced from line 3 from the last stage of the cascade together with solution containing the monosaccharide from line 4 above into main crystallizer 10.
  • the main crystallizer 10 has eight separate heat exchangers 5 for setting a temperature profile in this example.
  • the heat exchangers 5 are distributed over the height of the main crystallizer 10 and are each supplied via a water circuit for heating / cooling the crystal suspension.
  • the flow and temperature of the circulating water are regulated so that the product temperature / temperature profile can be influenced in a controlled manner.
  • a discharge line 6 leads from the main crystallizer 10 to a centrifuge station, in which crystals of the monosaccharide are separated from the crystal suspension.
  • Fig. 2 shows an embodiment of the invention.
  • a main crystallizer 10 cooling crystallization is carried out continuously on a crystal suspension in order to allow crystalline monosaccharide to grow in the crystal suspension.
  • the main crystallizer 10 is a vertical cooling crystallizer with oscillating cooling tube bundles. Crystal suspension is continuously removed from the main crystallizer 10 and placed in a centrifuge station 11
  • a solution containing the monosaccharide and a mass of a crystallization magma are continuously fed to the main crystallizer 10 to provide the crystal suspension.
  • the crystallization magma comes from a cascade for the continuous formation of a mass of crystallization magma.
  • the solution containing the monosaccharide and the solution are identical to monosaccharide, i.e. they contain the same ingredients in equal amounts.
  • a solution that contains the monosaccharide or the solution with monosaccharide with a dry substance concentration of 82% and at a temperature of 40 ° C. is provided in an evaporation station 12. This solution, which comprises the monosaccharide, is thus supplied to the pre-crystallizers 13A, 14A, 15A and the main crystallizer 10.
  • the cascade comprises three stages 13, 14, 15 connected in series, each with a pre-crystallizer 13A, 14A, 15A. Evaporation crystallization is carried out continuously in each pre-crystallizer 13A, 14A, 15A.
  • Precrystallizer 15A of the last stage 15 is fed solution with monosaccharide and a mass of crystallization magma from the upstream stage 14 to obtain a pre-crystallization magma. In the pre-crystallizer 15A of the last stage 15, the pre-crystallization magma is then used
  • Evaporation crystallization formed a mass of crystallization magma for the main crystallizer 10.
  • solution with monosaccharide with a seed suspension (the slurry) 16 is inoculated with monosaccharide seed crystals with an average crystal diameter of 13 pm in order to pre-crystallize maintenance magma.
  • the seed suspension (the slurry) with monosaccharide seed crystals has a crystal content of 20% by weight and a temperature of 20 ° C. and is supplied at a rate of 0.30 L / h or 0.43 kg / h.
  • Monosaccharide solution is fed to the pre-crystallizer 13A at a rate of 2.7 L / h.
  • the mixture gives a pre-crystallization magma with a crystal content of 2.1% by weight.
  • the pre-crystallization magma becomes
  • Evaporation crystallization is a mass of crystallization magma for the
  • Precrystallizer 14A of the downstream middle stage 14 is formed.
  • the net volume of the pre-crystallizer 13A of the first stage 13 is 0.15 m 3 , vapors 17 are released at a temperature of 63 ° C. at a rate of 0.2 kg / h.
  • the residence time in the pre-crystallizer 13A is 43.3 hours.
  • a mass of crystallization magma is fed to the pre-crystallizer 14A of the middle stage 14 at a rate of 2.7 L / h, a temperature of 63 ° C., an average crystal diameter of 30 pm and a crystal content of 27% by weight.
  • This precrystallizer 14A is also fed solution with monosaccharide at a rate of 21.4 L / h.
  • the mixture gives a pre-crystallization magma with a crystal content of 3.2% by weight and a temperature of 42.7 ° C.
  • a mass of crystallization magma for the pre-crystallizer 15A of the downstream, last stage 15 is formed from the pre-crystallization magma by means of evaporative crystallization.
  • the net volume of the pre-crystallizer 14A of the middle stage 14 is 1.0 m 3 , vapors 17 are released at a temperature of 65 ° C at a rate of 1.8 kg / h.
  • the residence time is 40.0 h and a mass of crystallization magma of 21.8 L / h with a temperature of 65 ° C, an average crystal diameter of 60 pm and a crystal content of 27% by weight becomes the precrystallizer 15A the last stage 15 fed.
  • Precrystallizer 15A is also supplied with monosaccharide solution at a rate of 208 L / h.
  • the mixture gives a pre-crystallization magma with a crystal content of 2.7% by weight and a temperature of 42.5 ° C.
  • a mass of crystallization magma for the main crystallizer 10 is formed from the pre-crystallization magma by means of evaporative crystallization.
  • the net volume of the pre-crystallizer 15A of the last stage 15 is 6.0 m 3 , vapors 17 are released at a temperature of 70 ° C at a rate of 14 kg / h.
  • the residence time is 26.7 h and a mass of crystallization magma of 209 L / h with a temperature of 70 ° C., an average crystal diameter of 120 pm and a crystal content of 22.5% by weight is fed to the main crystallizer 10.
  • the main crystallizer 10 is also fed solution with monosaccharide, which is identical here to the solution containing the monosaccharide, at a rate of 1990 L / h.
  • the mixture gives a crystal suspension with a crystal content of 2.2% by weight and a temperature of 43.0 ° C.
  • Crystalline monosaccharide is formed in the crystal suspension by means of cooling crystallization, but above all crystals of crystalline monosaccharide grow.
  • the net volume of the main crystallizer 10 is 157.0 m 3 .
  • the residence time is 73.0 hours. During this time, the crystal suspension is cooled at 0.3 K / h. Crystal suspension with crystalline monosaccharide formed is fed to a centrifuge station 11 at a rate of 2100 L / h at a temperature of 19 ° C., an average crystal diameter of 300 ⁇ m and a crystal content of 35.3% by weight. Crystals of the monosaccharide are separated there by centrifugation and crystalline monosaccharide is thus obtained.
  • FIG. 3 shows a further embodiment of the invention.
  • a main crystallizer 10 cooling crystallization is carried out continuously on a crystal suspension in order to grow monosaccharide crystals in the crystal suspension.
  • the main crystallizer 10 is a vertical cooling crystallizer with oscillating cooling tube bundles. Crystal suspension is continuously removed from the main crystallizer 10 and (grown) crystals of the monosaccharide are separated from the crystal suspension in a centrifuge station 11 in order to obtain crystalline monosaccharide.
  • a solution containing the monosaccharide and a mass of a crystallization magma are continuously fed to the main crystallizer 10 to provide the crystal suspension.
  • the crystallization magma comes from a cascade for the continuous formation of a mass of crystallization magma.
  • the solution containing the monosaccharide and the solution with monosaccharide are identical, ie they contain the same components in equal amounts.
  • a solution containing the monosaccharide or the solution with monosaccharide with a dry substance concentration of 82% and at a temperature of 41 ° C. is provided in an evaporation station 12.
  • This solution, which comprises the monosaccharide is thus supplied to the precrystallizers 13A, 13B, 14A, 14B, 15A, 15B and 15C and to the main crystallizer 10.
  • the cascade comprises three stages 13, 14, 15 connected in series, the first stage 13 having two pre-crystallizers 13A, 13B, the middle stage 14 having two pre-crystallizers 14A, 14B and the last stage 15 having three pre-crystallizers 15A, 15B, 15C.
  • the pre-crystallizer 13A, 13B, 14A, 14B, 15A, 15B and 15C cooling crystallization is carried out discontinuously.
  • solution with monosaccharide and a mass of crystallization magma from the upstream stage 14 is fed in order to obtain a pre-crystallization magma.
  • a mass of crystallization magma for the main crystallizer 10 is then formed from the pre-crystallization magma by means of cooling crystallization.
  • the cooling crystallization in the three pre-crystallizers 15A, 15B and 15C of the last stage 15 is discontinuous.
  • the cooling crystallization in the three pre-crystallizers 15A, 15B and 15C is switched such that crystallization magma can always be fed from a pre-crystallizer into the main crystallizer 10, so that a continuous supply of crystallization magma into the main crystallizer 10 is ensured.
  • the other pre-crystallizers can be cleaned or filled.
  • solution with monosaccharide with a seed suspension (a slurry) 16 is inoculated with monosaccharide seed crystals with an average crystal diameter of 13 pm in order to obtain a pre-crystallization magma.
  • the seed suspension (the slurry) 16 with monosaccharide seed crystals has a crystal content of 20% by weight and a temperature of 20 ° C. and is applied to the pre-crystallizers 13A, 13B at a rate of 0.30 L / h or 0. 43 kg / h fed.
  • Monosaccharide is fed to the pre-crystallizers 13A, 13B at a rate of 2.6 L / h in total.
  • the mixture gives a pre-crystallization magma with a crystal content of 2.2% by weight.
  • a mass of crystallization magma for the two pre-crystallizers 14A, 14B of the downstream middle stage 14 is formed from the pre-crystallization magma by means of cooling crystallization.
  • the net volume of the pre-crystallizers 13A, 13B of the first stage 13 is 0.070 m 3 in each case.
  • the residence time in the pre-crystallizers 13A, 13B is 43.3 h, the cooling rate 0.3 K / h.
  • a mass of crystallization magma is the pre-crystallizers 14A, 14B of the intermediate stage 14 at a rate of 2.7 L / h, with a temperature of 27 ° C, an average crystal diameter of 30 pm and a crystal content of 27 wt .-% fed.
  • These pre-crystallizers 14A, 14B, solution with monosaccharide is also supplied at a total rate of 20.1 L / h.
  • the mixture gives a pre-crystallization magma with a crystal content of 3.4% by weight and a temperature of 40.0 ° C.
  • a mass of crystallization magma for the three pre-crystallizers 15A, 15B, 15C of the downstream, last stage 15 is formed from the pre-crystallization magma by means of cooling crystallization.
  • the net volume of the pre-crystallizers 14A, 14B of the middle stage 14 is 0.50 m 3 in each case.
  • the residence time in the pre-crystallizers 14A, 14B of the middle stage 14 is 40.0 h, the cooling rate 0.3 K / h.
  • a mass of crystallization magma of a total of 21.8 L / h with a temperature of 28 ° C, an average crystal diameter of 60 pm and a crystal content of 27% by weight is fed to the precrystallizers 15A, 15B, 15C of the last stage 15.
  • the precrystallizers 15A, 15B, 15C of the last stage 15 are also fed solution with monosaccharide at a total rate of 197 L / h.
  • the mixture gives a pre-crystallization magma with a crystal content of 2.8% by weight and a temperature of 40.0 ° C.
  • a mass of crystallization magma for the main crystallizer 10 is formed from the pre-crystallization magma by means of cooling crystallization.
  • the residence time in the precrystallizers 15A, 15B, 15C of the last stage 15 is 26.7 h, the cooling rate 0.3 K / h.
  • a mass of crystallization magma at a rate of 209 l / h, with a temperature of 32 ° C., an average crystal diameter of 120 ⁇ m and a crystal content of 22.5% by weight is fed to the main crystallizer 10.
  • the main crystallizer 10 is also fed solution with monosaccharide, which is identical to the solution containing the monosaccharide, at a rate of 1990 L / h.
  • Crystalline monosaccharide is formed in the crystal suspension by means of cooling crystallization.
  • the net volume of the main crystallizer 10 is 157.0 m 3 .
  • the residence time is 73.0 hours. During this time, the crystal suspension is cooled at 0.3 K / h.
  • Crystal suspension with crystalline monosaccharide formed is fed to a centrifuge station 11 at a rate of 2100 L / h, at a temperature of 19 ° C., an average crystal diameter of 300 ⁇ m and a crystal content of 35.0% by weight. There, crystalline monosaccharide is separated by centrifugation and recovered.
  • the purity of the crystals is> 99% in the examples.
  • the density of the solution with monosaccharide is approx. 1.36 kg / L.
  • the density of the crystallization magma is approximately 1.44 kg / L.
  • Each pre-crystallizer in the examples has a stirrer with a specific power input of 0.5 to 2.0 kW / m 3 .

Abstract

Die Erfindung betrifft ein kontinuierliches Verfahren zur Gewinnung eines kristallinen Monosaccharides, umfassend eine kontinuierliche Kristallisation des Monosaccharides in einem Hauptkristallisator (10), wobei in dem Hauptkristallisator (10) an einer Kristallsuspension kontinuierlich eine Verdampfungs- und/oder Kühlungskristallisation durchgeführt wird, um in der Kristallsuspension Kristalle des Monosaccharides wachsen zu lassen, ein Abtrennen von Kristallen des Monosaccharides aus der Kristallsuspension, um kristallines Monosaccharid zu gewinnen; die kontinuierliche Bildung einer Masse an Kristallisationsmagma für den Hauptkristallisator (10) in einer Kaskade, wobei die Kaskade in Reihe geschaltet mindestens eine erste (13) und eine letzte Stufe (15) umfasst und jede Stufe mindestens einen Vorkristallisator (13A, 15A) umfasst, wobei in dem mindestens einen Vorkristallisator (13A) der ersten Stufe (13) Lösung mit Monosaccharid durch Monosaccharid-Saatkristalle beimpft wird, um ein Prä-Kristallisationsmagma zu erhalten, und aus dem Prä-Kristallisationsmagma mittels Kühlungskristallisation und/oder Verdampfungskristallisation eine Masse an Kristallisationsmagma für die nachgeschaltete Stufe (14, 15) gebildet wird, und wobei in den mindestens einen Vorkristallisator (15A, 15B, 15C) der letzten Stufe (15) Lösung mit Monosaccharid und eine Masse an Kristallisationsmagma aus der vorgeschalteten Stufe zugeführt wird, um ein Prä-Kristallisationsmagma zu erhalten, und in dem mindestens einem Vorkristallisator (15A, 15B, 15C) der letzten Stufe (15) aus dem Prä-Kristallisationsmagma mittels Kühlungskristallisation und/oder Verdampfungskristallisation eine Masse an Kristallisationsmagma für den Hauptkristallisator (10) gebildet wird; das kontinuierliche Zuführen einer Lösung, die das Monosaccharid enthält, und einer Masse eines Kristallisationsmagmas aus dem mindestens einem Vorkristallisator (15A, 15B, 15C) der letzten Stufe (15) der Kaskade in den Hauptkristallisator (10), um die Kristallsuspension bereitzustellen.

Description

KONTINUIERLICHES VERFAHREN ZUR GEWINNUNG EINES KRISTALLINEN MONOSACCHARIDES UND VORRICHTUNG ZUR KONTINUIERLICHEN KRISTALLISIERUNG
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein kontinuierliches Verfahren zur Gewinnung eines kristal linen Monosaccharides und eine Vorrichtung zur Gewinnung eines kristallinen Monosaccharides, insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen konti nuierlichen Verfahrens.
Zur Kristallisation von Sacchariden werden Verdampfungskristallisatoren und Kühlungskristallisatoren eingesetzt, deren Aufbau und Funktionsweise dem Fach mann bekannt sind. Um spontane Kristallbildung zu verhindern, wird zur
Initiierung des Kristallisatiosprozesses einer kristallfreien konzentrierten Lösung, die den Zucker enthält, Saatkristalle oder ein Kristallisationsmagma, das Saat kristalle enthält, zugegeben, so dass ein Kristallwachstum unter kontrollierten Bedingungen in einem Kristallisator ablaufen kann.
AI lulose (D-Psicose) ist ein Monosaccharid aus der Gruppe der Ketohexosen, welches durch die Entwicklung neuer Verfahren in größeren Mengen herstellbar geworden ist (Takeshita et al., Journal of Bioscience and Bioengineering Vol. 90, Nr. 4, S. 453 bis 455, 2000; Koreanische Patentanmeldung Nr. 10-2009-0118465, CJ Cheiljedang Corp. Korea).
Die Kristallisation von Allulose im industriellen Maßstab wird in der Literatur durch eine Patentanmeldung bzw. Patenterteilung beschrieben (PCT/KR2015/009449 bzw. EP 3210478 Al, beide CJ Cheiljedang Corp., Korea). In der Druckschrift wird beschrieben, dass D-Psicose nach der Aufreinigung und Konzentrierung durch die Anwendung der Kühlungskristallisation aus der flüssigen Phase in den kristallinen Zustand überführt wird, wobei die Lösung nach der Konzentrierung mittels Wärmetauscher auf 30 bis 40 °C gekühlt und mit Saatkristallen versetzt wird. Die Herstellung der Saatkristalle zur Initiierung der AI lu losekristallisation wird nicht beschrieben. Wenn die Kristallwachstumsgeschwindigkeit nachlässt (bei Erreichen des Gleichgewichtszustandes) wird zur Kristallsuspension 1 bis 2 mal pro Stunde eine definierte Menge der auf 30 bis 40 °C gekühlten konzentrierten Allulose- lösung zugegeben. Diese Prozedur wird wiederholt, bis der Kristallisator sein maximales Arbeitsvolumen erreicht hat. Durch die diskontinuierliche Herstellungsweise ist eine industrielle Produktion kristalliner Allulose aufwendig und unwirtschaftlich. Auch für andere
Monosaccharide besteht der Bedarf, eine kontinuierliche Herstellung der kristalli nen Form zu ermöglichen oder bestehende Verfahren und Vorrichtungen zu ver bessern. Eine besondere Schwierigkeit bei der industriellen Herstellung kristalliner Zucker besteht darin, das Kristallwachstum zu steuern. Auf der einen Seite wird eine möglichst hohe Ausbeute angestrebt. Andererseits führen Bedingungen, die eine hohe Ausbeute ermöglichen, nicht unbedingt zu einem Verfah ren, das als großtechnisches, insbesondere kontinuierliches, Verfahren geeignet ist. Das Kristallwachstum kann von zahlreichen Faktoren beeinflusst werden, beispielswei se durch die Kristallisationstemperatur und -art, die Durchmischung der Kristall suspension sowie durch die Art des Zuckers. Diese Faktoren können somit die Ausbeute, die Form und die Größe der Zuckerkristalle beeinflussen. Wiederum können sich Form und die Größe der Kristalle sowie deren Konzentration in der Kristallsuspension auf das Fließverhalten der Kristallsuspension in einer Anlage auswirken. Gelingt es nicht, das Kristallwachstum genau zu steuern, ist ein groß technisches und insbesondere kontinuierliches Verfahren wegen der mangelhaften Bearbeitbarkeit der Kristallsuspensionen nicht denkbar. Auch mit Blick auf weitere Verfahrensschritte wird im Allgemeinen eine geringe Partikelgrößenverteilung angestrebt. Eine weitere Schwierigkeit besteht in einem kontinuierlichen Herstel lungsverfahren darin, kontinuierlich eine ausreichend große Masse an Kristallisa tionsmagma zur Beimpfung einer Kristallisationslösung herzustellen . Denn wäh rend eines Kristallisationsschrittes ist die technische erreichbare Entzuckerung der Lösung durch den Kristallgehalt in einer Kristallsuspension begrenzt. Eine
Limitation der verfügbaren Masse an Kristallisationsmagma rührt daher, dass die Herstellungsverfahren für Kristallisationsmagma meist diskontinuierlich durchge führt werden.
Daher besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein kontinuierliches Verfahren zur Gewinnung eines kristallinen Monosaccharides und eine Vorrichtung zur Gewinnung eines kristallinen Monosaccharides, insbesondere zur Durchfüh rung des kontinuierlichen erfindungsgemäßen Verfahrens, bereitzustellen.
Auch die kontinuierliche Bereitstellung einer ausreichend großen Menge an Kristallisationsmagma zur Beimpfung der Kristallisationslösung soll durch das Ver fahren bzw. die Vorrichtung ermöglicht werden, damit das gesamte Verfahren kontinuierlich durchgeführt werden kann. Ferner muss das Kristallwachstum in dem Verfahren bzw. der Vorrichtung durch die gegebenen Bedingungen kontrolliert sein und zu handhabbaren, z. B. rühr- und homogenisierbaren, Gemischen führen.
Eine weitere Aufgabe ist es, mit dem Verfahren bzw. der Vorrichtung ein konti nuierliches Verfahren mit hoher Effizienz und Ausbeute in großen Mengen zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Mit Blick auf die Vorrichtung wird diese Aufgabe durch den Gegenstand des Anspruches 15 gelöst.
Bevorzugt wird zumindest eine dieser Aufgaben durch das erfindungsgemäße kontinuierliche Verfahren zur Gewinnung eines kristallinen Monosaccharides gelöst, wobei das kontinuierliche Verfahren bevorzugt eine kontinuierliche
Kristallisation des Monosaccharides in einem Hauptkristallisator, ein Abtrennen von Kristallen des Monosaccharides aus einer Kristallsuspension (einem Kristalli sationsgemisch), um kristallines Monosaccharid zu gewinnen, die kontinuierliche Bildung einer Masse an Kristallisationsmagma für den Hauptkristallisator in einer Kaskade (aus Vorkristallisatoren) und das kontinuierliche Zuführen einer Lösung, die das Monosaccharid enthält, und einer Masse eines Kristallisationsmagmas aus dem mindestens einem Vorkristallisator der letzten Stufe der Kaskade in den Hauptkristallisator, um die Kristallsuspension bereitzustellen, umfasst. Während der kontinuierlichen Kristallisation des Monosaccharides in einem Hauptkristallisa tor wird in dem Hauptkristallisator an einer Kristallsuspension kontinuierlich eine Verdampfungs- und/oder Kühlungskristallisation durchgeführt, um in der Kristall suspension Kristalle des Monosaccharides wachsen zu lassen. Die kontinuierliche Bildung einer Masse an Kristallisationsmagma für den Hauptkristallisator erfolgt in einer Kaskade, wobei die Kaskade in Reihe geschaltet mindestens eine erste und eine letzte Stufe umfasst und jede Stufe mindestens einen Vorkristallisator umfasst, wobei in dem mindestens einem Vorkristallisator der ersten Stufe
Lösung mit Monosaccharid durch Monosaccharid-Saatkristalle beimpft wird, um ein (sogenanntes) Prä-Kristallisationsmagma zu erhalten, und aus dem Prä- Kristallisationsmagma mittels Kühlungskristallisation und/oder Verdampfungs kristallisation eine Masse an Kristallisationsmagma für die nachgeschaltete Stufe gebildet wird, und wobei in den mindestens einen Vorkristallisator der letzten Stufe Lösung mit Monosaccharid und eine Masse an Kristallisationsmagma aus der vorgeschalteten Stufe zugeführt wird, um ein Prä-Kristallisationsmagma zu erhalten, und in dem mindestens einem Vorkristallisator der letzten Stufe aus dem Prä-Kristallisationsmagma mittels Kü hlu ngskristal lisation und/oder
Verdampfungskristallisation eine Masse an Kristallisationsmagma für den Haupt kristallisator gebildet wird.
Durch dieses kontinuierliche Verfahren wird die effiziente Gewinnung eines kristallinen Monosaccharides möglich und wirtschaftlich.
Insbesondere gelingt die kontinuierliche Bereitstellung von Kristallisationsmagma in ausreichenden Massen, so dass das gesamte Verfahren kontinuierlich durchge führt werden kann.
Ferner ist das Kristallwachstum unter den gegebenen Bedingungen kontrollierbar und führt zu aufeinander abgestimmten Kristallsuspensionen, so dass das Verfah ren kontinuierlich in einer großtechnischen Anlage durchgeführt werden kann, so dass der apparative Aufwand minimiert ist. Durch die mehrstufige Kristallisations magmaerzeugung kann gezielt Einfluss auf die Partikelgrößenverteilung genom men werden. In der anschließenden kontinuierlichen Kristallisation im
Hauptkristallisator kann dadurch das Kristallgrößenwachstum sehr exakt auf die Zielkristallgröße eingestellt werden. Ferner weist das kontinuierliche Verfah ren eine hohe Effizienz und Ausbeute auf, wie nachfolgend erläutert.
Die kontinuierliche Kristallisation des Monosaccharides in dem Hauptkristallisator erfolgt durch Kühlen oder alternativ durch Verdampfen oder auch durch eine Kombination der beiden Verfahren.
Eine Verdampfungskristallisation kann unter atmosphärischen Druck oder vor zugsweise darunter durchgeführt werden.
Aufbau und Funktionsweise von Verdampfungskristallisatoren und Kühlungs kristallisatoren sind dem Fachmann bekannt. Auch die Durchführung einer Verdampfungskristallisation und/oder einer Kühlungskristallisation, jeweils kontinuierlich oder diskontinuierlich, sind dem Fachmann bekannt. Die kontinuier liche Kristallisation des Monosaccharides in einem Hauptkristallisator kann im Falle der Anwendung der Kühlungskristallisation beispielsweise mit einem BMA OVC (Vertikaler Kühlungskristallisator mit oszillierenden Kühlrohrbündeln, „oscillating vertical cooling crystallizer") durchgeführt werden. Die kontinuierliche Kristallisation des Monosaccharides in einem Hauptkristallisator kann im Falle der Anwendung der Verdampfungskristallisation mit einem BMA VKT (Verdampfungs- Kristallisations-Turm) durchgeführt werden. Als Vorteile ergeben sich aus einer kontinuierlichen Kristallisation bessere Raum-Zeit-Ausbeuten, eine Verminderung der Rüstzeiten für Reinigung, Befüllung und Entleerung, die Erzielung höherer Durchsatzmengen bei geringerem Platzbedarf. Insgesamt ist die Produktivität deutlich erhöht, während eine batchweise Produktion deutlich arbeitsaufwendiger ist.
Die Lösungen, Kristallsuspension, das Prä-Kristallisationsmagma, das Kristallisa tionsmagma, die Saatsuspension etc. weisen in der vorliegenden Patentanmel dung als Lösungsmittel bevorzugt Wasser auf. Denkbar sind aber auch anderen Lösungsmittel, insbesondere Alkohole und Mischungen davon mit Wasser.
Eine„Lösung, die das Monosaccharid enthält," beschreibt eine Lösung, die das Monosaccharid umfasst und dem Hauptkristallisator zugeführt wird.
Eine„Lösung mit Monosaccharid" beschreibt eine Lösung, die das Monosaccharid umfasst und einem Vorkristallisator zugeführt wird.
In bevorzugten Ausführungsformen unterscheidet sich die„Lösung, die das Monosaccharid enthält" nicht von der„Lösung mit Monosaccharid". Mit anderen Worten ist in bevorzugten Ausführungsformen die„Lösung mit Monosaccharid" die„Lösung, die das Monosaccharid enthält".
Die Lösung mit Monosaccharid und die Lösung, die das Monosaccharid enthält, können dieselben Bestandteile und Eigenschaften aufweisen, d.h. identisch sein, oder verschiedene Bestandteile und Eigenschaften aufweisen, d.h. unterschiedlich sein.
Die Lösung mit Monosaccharid und die Masse an Kristallisationsmagma aus der vorgeschalteten Stufe kann in dem mindestens einen Vorkristallisator jeder Stufe oder zuvor vereint werden. Die Lösung, die das Monosaccharid enthält, und die Masse an Kristallisationsmagma kann in dem Hauptkristallisator oder zuvor vereint werden. Das Beimpfen der Lösung mit Monosaccharid durch
Monosaccharid-Saatkristalle kann in dem mindestens einen Vorkristallisator der ersten Stufe erfolgen und/oder in einer vorgeschalteten Beimpfvorrichtung. Mit anderen Worten kann der mindestens eine Vorkristallisator der ersten Stufe eine Beimpfvorrichtung umfassen.
Die Kühlungs- oder Verdampfungskristallisation in einer Stufe der Kaskade kann jederzeit bei Erreichen bestimmter Qualitätsmerkmale des Kristallisationsmagmas (z.B. Form, Größe, Größenverteilung, Viskosität) in Abhängigkeit des
Monosaccharids beendet werden. Da die Ausbeute (gebildete Kristallmasse bezo gen auf die Ausgangsmasse der kristallbildenden Substanz in der Lösung/den Lösungen bzw. Abbau der Trockensubstanz in der flüssigen Phase) im Schritt der kontinuierlichen Kristallisation im Hauptkristallisator bestimmt wird, sind die Ausbeuten innerhalb der Kaskade für das Gesamtverfahren unerheblich.
Um spontane Kristallbildung zu verhindern, wird zur Initiierung des Kristallisa tionsprozesses und zur Erzeugung einer definierten Kristallgröße in dem
mindestens einem Vorkristallisator der ersten Stufe Lösu ng mit Monosaccharid mit Monosaccharid-Saatkristallen beimpft, die in der Lösung suspendiert werden. Die Zugabe der Monosaccharid-Saatkristalle kann in trockener Form erfolgen oder durch die Zugabe in Form einer Saatsuspension, einer sogenannten Slurry, in der die Monosaccharid-Saatkristalle in einem Suspensionsmittel suspendiert sind. Die Saatsuspension wird aus kristallinem Monosaccharid hoher Reinheit (> 99%) durch Zerkleinern, vorzugsweise durch Vermahlen von kristallinem Monosaccharid mit Isopropanol oder durch Vermahlen einer übersättigten, wässrigen
Monosaccharidlösung hergestellt, so dass die suspendierten Partikel vorzugsweise eine Größe von 10 bis 20 pm haben.
Zur Erzeugung von Prä-Kristallisationsmagma bzw. einer Masse an Kristallisations magma in dem mindestens einem Vorkristallisator der ersten Stufe kann entspre chend bekannter Berechnungsgleichungen (z. B. : V.Gnielinski, A. Mersmann, F.Thurner:„Verdampfung, Kristallisation, Trocknung", Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 1993) die notwendige Kristallkonzentration (Kristallanzahl in der zu beimpfenden Menge) in Abhängigkeit der Kristallgröße der Saatsuspension, der gewünschten Endgröße der Kristalle, des zu erzielenden Kristallgehaltes und der Kristallform berechnet werden.
Das Prä-Kristallisationsmagma und das Kristallisationsmagma enthalten Kristalle des Monosaccharides. Bevorzugt ist das Prä-Kristallisationsmagma eine Suspension mit Kristallen des Monosaccharides und wird aus einer Lösung mit Monosaccharid und einer Masse an Kristallisationsmagma oder Monosaccharid-Saatkristallen gebildet.
Bevorzugt wird aus dem Prä-Kristallisationsmagma in einem Vorkristallisator durch Kristallisation ein Kristallisationsmagma gebildet. Das Kristallisationsmagma wird bevorzugt zur Beimpfung einer Lösung mit Monosaccharid in einem Vor kristallisator und/oder zur Beimpfung einer Lösung, die das Monosaccharid enthält, in dem Hauptkristallisator verwendet.
Das Prä-Kristallisationsmagma und das Kristallisationsmagma enthalten Kristalle des Monosaccharides.
Bevorzugt beschreibt der Begriff„Kristallisator" eine Vorrichtung, insbesondere zur Durchführung eines Kristallisationsprozesses.
Bevorzugt ist ein Vorkristallisator ein Kristallisator, insbesondere zur Erzeugung von Kristallisationsmagma.
Bevorzugt beschreibt der Begriff„Hauptkristallisator" eine Vorrichtung, in der ein Großteil des kristallinen Monosaccharides gebildet wird.
Der Begriff„Verweilzeit" beschreibt die hydraulische Verweilzeit, die sich aus dem Volumen eines Kristallisators geteilt durch den Volumenstrom ergibt.
Bevorzugte Ausführungsformen werden in den Unteransprüchen angegeben.
Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung können miteinander kombiniert werden, sofern sich aus dem Kontext nicht etwas Anderes ergibt.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst jede Stufe einen einzigen Vor kristallisator und in dem Vorkristallisator jeder Stufe wird aus dem Prä- Kristallisationsmagma mittels Verdampfungskristallisation kontinuierlich eine Masse an Kristallisationsmagma gebildet.
Diese Ausführungsform ermöglicht eine einfachere Ausgestaltung des Verfahrens. Eine Verdampfungskristallisation kann kontinuierlich durchgeführt werden, wodurch kontinuierlich eine Masse an Kristallisationsmagma gebildet werden kann. Durch die Kaskade an Vorkristallisatoren kann eine große Masse an
Kristallisationsmagma gebildet werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst jede Stufe zwei bis drei Vorkristallisatoren und in den Vorkristallisatoren jeder Stufe wird aus dem Prä - Kristallisationsmagma diskontinuierlich mittels Kühlu ngskristal lisation und/oder kontinuierlich mittels Verdampfungskristallisation eine Masse an Kristallisations magma gebildet, wobei die Masse an Kristallisationsmagma, die dem Haupt kristallisator kontinuierlich zugeführt wird, bei diskontinuierlicher Bildung mittels Kühl ungskristall isation alternierend aus den Vorkristallisatoren der letzten Stufe zugeführt wird.
Wird das Kristallisationsmagma diskontinuierlich mittels Kühlungskristallisation in nur einem Vorkristallisator pro Stufe gebildet, so ist eine kontinuierliche Zufüh rung und auch einer ausreichenden Menge in den Hauptkristallisator für ein kontinuierliches Kristallisationsverfahren nicht gegeben. Dieses Problem kann durch diese zuvor beschriebene Ausführungsform überwunden werden. Da jede Stufe mehrere Vorkristallisatoren aufweist, kann auch bei Verwendung einer diskontinuierlichen Kühlungskristallisation in der letzten Stufe abwechselnd aus mehreren Vorkristallisatoren Kristallisationsmagma kontinuierlich in den Haupt kristallisator zugeführt werden. Mit anderen Worten sind die Vorkristallisatoren der Stufen so miteinander verschaltet, dass eine kontinuierliche Zuführung des Kristallisationsmagmas aus der letzten Stufe der Kaskade zum kontinuierlich arbeitenden Hauptkristallisator gewährleistet wird.
Zu beachten ist dabei, dass nicht jede Stufe die gleiche Anzahl an Vorkristalli satoren aufweisen muss. Ferner können die Vorkristallisatoren der Stufen in vielfältiger Weise untereinander verbunden sein.
Die Verdampfungskristallisation kommt insbesondere dann zur Anwendung, wenn die Rahmenbedingungen für eine Verdampfungskristallisation des Monosaccharids gegeben sind. Diese sind von der Temperaturempfindlichkeit der Lösung und von der Löslichkeit des Produktes abhängig. Nimmt die Löslichkeit mit steigender Temperatur nur mäßig oder sehr wenig zu, so wird bevorzugt die Verdampfungs kristallisation zur Anwendung kommen, dann oft auch unter Vakuum betrieben. Nimmt die Löslichkeit mit steigender Temperatur stark zu, so ist das bevorzugte Kristallisationsverfahren die Kühlu ngskristall isation.
Bevorzugt ist in bestimmten Ausführungsformen, dass die erste Stufe ein bis zwei, bevorzugt zwei, Vorkristallisatoren, die letzte Stufe zwei bis vier, bevorzugt drei, Vorkristallisatoren und eine weitere Stufe zwei bis vier, bevorzugt zwei, Vor kristallisatoren aufweist, wobei in den Vorkristallisatoren jeder Stufe aus dem Prä-Kristallisationsmagma diskontinuierlich mittels Kühlu ngskristal lisation eine Masse an Kristallisationsmagma gebildet wird und wobei die Masse an Kristallisa tionsmagma, die dem Hauptkristallisator kontinuierlich zugeführt wird, alternie rend aus den Vorkristallisatoren der letzten Stufe zugeführt wird.
In einer bestimmten Ausführungsform, in welcher mindestens eine Stufe mehr als einen Vorkristallisator umfasst, bilden die Vorkristallisatoren derselben Stufe jeweils die gleiche Masse an Kristallisationsmagma.
Dies ermöglicht, dass abwechselnd aus mehreren Vorkristallisatoren eine große Masse an Kristallisationsmagma kontinuierlich in den Hauptkristallisator zugeführt werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform übersteigt die Masse an Kristallisations magma, die in einem Vorkristallisator einer Stufe gebildet wird, die Masse an Kristallisationsmagma, die in einem Vorkristallisator der vorgeschalteten Stufe gebildet wird, um den Faktor 2 bis 12, bevorzugt 4 bis 7.
Somit kann mit jeder Stufe die Masse an Kristallisationsmagma beträchtlich gesteigert werden, so dass genug Kristallisationsmagma für ein kontinuierliches Zuführen einer Masse eines Kristallisationsmagmas in den Hauptkristallisator und damit eine kontinuierliche Kristallisation des Monosaccharides in dem Haupt kristallisator sichergestellt werden kann. Dabei kann der Faktor nicht beliebig gesteigert werden, da in dem Prä-Kristallisationsmagma in den Vorkristallisatoren eine bestimmte Konzentration an zugeführten Kristallisationsmagma vorliegen muss, um ein effizientes und berechenbares Kristallwachstum zu erreichen.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Kaskade zwischen der ersten und der letzten Stufe eine bis acht, bevorzugt eine bis drei, am bevorzugtesten eine, in Reihe geschaltete weitere Stufe bzw. Stufen, wobei die weitere Stufe bzw. weiteren Stufen jeweils mindestens einen Vorkristallisator aufweist bzw. aufweisen, in welchem bzw. welchen Lösung mit Monosaccharid und eine Masse an Kristallisationsmagma aus der vorgeschalteten Stufe zugeführt wird, um Prä - Kristallisationsmagma zu erhalten, und wobei in dem mindestens einen Vorkristal lisator jeder weiteren Stufe aus dem Prä-Kristallisationsmagma diskontinuierlich mittels Kühlu ngskristal lisation und/oder kontinuierlich mittels Verdampfungs kristallisation eine Masse an Kristallisationsmagma für die nachgeschaltete Stufe gebildet wird.
Durch weitere Stufen kann die Masse an Kristallisationsmagma, die aus der letzten Stufe der Kaskade in den Hauptkristallisator geführt wird, weiter gestei gert werden.
Somit kann mit jeder zusätzlichen Stufe die Masse an Kristallisationsmagma beträchtlich gesteigert werden, so dass genug Kristallisationsmagma für ein kontinuierliches Zuführen einer Masse eines Kristallisationsmagmas in den Haupt kristallisator und damit eine kontinuierliche Kristallisation des Monosaccharides in dem Hauptkristallisator sichergestellt werden kann. Die bevorzugte Anzahl an Stufen ermöglicht ein berechenbares Kristallwachstum, welches den chemisch physikalischen Eigenschaften des Monosaccharids und der gewünschten
Produktionsmenge angepasst ist.
In bestimmten Ausführungsformen sind die Stufen bzw. der mindestens eine Vorkristallisator jeder Stufe derart miteinander verbunden, dass es möglich ist, einzelne weitere Stufen auszulassen.
Dies ist insbesondere vorteilhaft, um die Anlage kontinuierlich warten oder reini gen zu können. Ferner ist dies vorteilhaft, um geringere Mengen an Kristallisa tionsmagma zu erzeugen, falls für die Hauptkristallisation weniger Kristallisa tionsmagma benötigt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Monosaccharid -Saatkristalle einen mittleren Durchmesser von 5 bis 50 pm, bevorzugt 10 bis 20 pm, auf.
Es wurde herausgefunden, dass ein kontinuierliches Verfahren zur Gewinnung eines kristallinen Monosaccharides insbesondere dann gut durchführbar ist, wenn die Monosaccharid-Saatkristalle diesen Durchmesser aufweisen. Durch die Her stellung des Kristallisationsmagmas in der Kaskade erhöht sich die mittlere Parti kelgröße von Stufe zu Stufe. Bei einer Ausgangsgröße wie oben genannt erfolgt das Kristallwachstum in Kaskade und Hauptkristallisator derart, dass im Haupt kristallisator Kristalle mit einer guten Ausbeute in gewünschter Größe erhalten werden.
In einer bestimmten bevorzugten Ausführungsform wird ein Temperaturgradient der Kristallsuspension über die Länge des Hauptkristallisators von 70 bis 15 °C und bevorzugt von 45 bis 25 °C eingestellt.
In bestimmten Ausführungsformen wird in dem Hauptkristallisator an einer Kristallsuspension kontinuierlich eine Kühlungskristallisation durchgeführt, wobei die Kristallsuspension in dem Hauptkristallisator von bevorzugt 70 - 30 °C bevor zugt bis auf 35 - 15 °C abgekühlt wird.
In bestimmten ähnlichen Ausführungsformen wird in dem Hauptkristallisator an einer Kristallsuspension kontinuierlich eine Kühlungskristallisation durchgeführt, wobei die Kristallsuspension in dem Hauptkristallisator von bevorzugt 70 - 33 °C bevorzugt bis auf 32 - 15 °C abgekühlt wird.
In bestimmten Ausführungsformen wird im kontinuierlich arbeitenden Haupt kristallisator bei der Kühlungskristallisation mit einem Temperaturgradienten (Temperaturprofil) in Abhängigkeit vom Monosaccharid von oben nach unten gearbeitet. In diesen Ausführungsformen beträgt die Temperatur der Kristall suspension im Bereich der Zuführung der Lösung, die das Monosaccharid enthält, und des Kristallisationsmagmas (oben) bevorzugt von 70 - 30 °C und am
Austragsbereich der Kristallsuspension (unten) bevorzugt von 35 - 15 °C.
Bei diesen Temperaturprofilen erfolgt eine Kristallbildung in gewünschter Größe und Ausbeute. Gleichzeitig wird die Kristallsuspension nicht zu zähflüssig, was die weitere Verarbeitung erschweren würde.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird in dem Hauptkristallisator an einer Kristallsuspension kontinuierlich eine Kühlungskristallisation durchge führt, wobei die Kristallsuspension in dem Hauptkristallisator von bevorzugt 45 - 35 °C bevorzugt bis auf 30 - 20 °C abgekühlt wird. Diese Ausführungsform ist insbesondere bevorzugt, wenn es sich um ein kontinuierliches Verfahren zur Gewinnung kristalliner Allulose handelt.
Bei diesem Temperaturprofil erfolgt eine Kristallbildung der Allulose in gewünschter Größe und Ausbeute. Gleichzeitig wird die Kristallsuspension der AI lulose nicht zu zähflüssig, was die weitere Verarbeitung erschweren würde.
In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Verweildauer der Kristall suspension in dem Hauptkristallisator 30 bis 70 Stunden.
Es wurde herausgefunden, dass bei dieser Verweilzeit eine Kristallbildung in gewünschter Größe und Ausbeute erfolgt.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Inhalt jedes Vorkristallisators, bevorzugt ein oder mehrere Lösungen, Suspensionen, Prä-Kristallisationsmagma und/oder Kristallisationsmagma, von einem Rührer mit einem spezifischen
Leistungseintrag von 0,1 bis 4 kW/m3, bevorzugt 0,5 bis 2,0 kW/m3, angetrieben. Durch den Rührprozess wird die kristalline Phase bzw. das Kristallisationsmagma gleichmäßig in der flüssigen Phase bzw. der Lösung mit Monosaccharid verteilt, wodurch der Stofftransport begünstigt und die Zunahme der Kristallmasse pro Zeiteinheit erhöht wird. Weiterhin kommt es zu einer Homogenisierung der Kristalle in den Vorkristallisatoren.
Der Rührertyp, die Rührerform und der spezifische Energieeintrag über den Rührer muss sich in den einzelnen Stufen der Kaskade an den spezifischen Viskositäten orientieren. Bei niedrigen Viskositäten (< 0,5 Pas) wird zum Suspen dieren der Kristalle in der flüssigen Phase vorzugsweise ein Schrägblatt- Schaufel oder Propellerrührer eingesetzt. Im mittleren Viskositätsbereich (0,5 bis 5,0 Pas) kommt vorzugsweise ein Intermig- Kreuzbalken- oder Blattrührer zum Einsatz. Im hohen Viskositäsbereich (> 5,0 Pas) werden vorzugsweise Anker- und Wendelrüh rer eingesetzt.
Es wurde überraschender Weise gefunden, dass bei der Kristallisation von Allulo- se durch die Erhöhung des spezifischen Energieeintrages des Rührers, ein fokus siertes Kristallwachstum in Längsrichtung unterdrückt werden konnte, wodurch das Verhältnis von Durchmesser zu Länge von z. B. 1 : 10 auf die Hälfte reduziert werden konnte. Bei Kristallen, die zu einem Längenwachstum neigen (Stäbchen, Nadeln) kann also durch den spezifischen Energieeintrag über den Rührer Einfluss auf die Morphologie der Kristalle genommen werden. Wird der spezifische
Leistungseintrag des Rührwerks von z. B. 0,5 kW/m3 auf z. B. 2,0 kW/m3 erhöht, konnte beobachtet werden, dass dadurch das Wachstumsverhalten der Kristalle (Längenwachstum) beeinflusst werden kann, so dass sich das Längenwachstum vermindern ließ. Die Allulose weist im Gegensatz zur Saccharose ein viel stärkeres Längenwachstum auf. Insofern weisen die Rührer Vorteile auf, die aus herkömm lichen Anlagen für Saccharose nicht bekannt sind. Durch den spezifischen Ener gieeintrag solcher Rührer wird gezielt Einfluss auf das Kristallwachstum genom men.
Denkbar ist auch, dass in jedem Vorkristallisator mehrerer Rührer verwendet werden, um denselben technischen Effekt zu erreichen.
Bevorzugt wird dem Hauptkristallisator die Lösung, die das Monosaccharid ent hält, und eine Masse an Kristallisationsmagma in einem Massenverhältnis von 1 : 5 bis 1 : 20, bevorzugt 1 :7 bis 1 : 11, zugeführt.
Somit kann in dem Hauptkristallisator effizient in großen Mengen in relativ kurzer Zeit mit hoher Ausbeute kristallines Monosaccharid gebildet werden.
Bevorzugt weist die Lösung mit Monosaccharid für die Vorkristallisatoren eine Übersättigung von 0 bis 60 % auf. Mit anderen Worten wird das Kristallisations magma aus einer vorgeschalteten Stufe in die nachgeschaltete Stufe bereitge stellt und mit frischer, insbesondere kristallfreier Lösung mit Monosaccha rid mit einer Übersättigung von 0 bis 60 % innerhalb des metastabilen Bereiches ver mischt.
Dadurch wird in jeder Stufe der Kaskade eine konstant hohe Triebkraft für das Kristallwachstum erzeugt.
Bevorzugt werden die Verweilzeiten in den jeweiligen Stufen durch die jeweils vorherrschende Übersättigung bestimmt (Gleichgewichtszustand). Die Kontrolle des Prozesses erfolgt über die Bestimmung des Trockensubstanzgehaltes der flüs sigen Phase bzw. des Kristallisationsmagmas, beispielsweise durch Bestimmung des Brechungsindexes, durch radiometrische Dichtemessung oder Mikrowellen messung. Alternativ können auch optische Verfahren zur Erfassung unerwünsch ter Neukristallbildung und damit zur Prozessoptimierung eingesetzt werden.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren entsteht am Ende der Kaskade ein Kristallisationsmagma mit einer definierten Anzahl von Kristallen gewünschter Korngröße und Korngrößenverteilung, das als Kristallisationsmagma für ein kontrolliertes Kristallwachstum in dem kontinuierlich arbeitenden Hauptkristallisa tor verwendet werden kann. Bevorzugt ist die Lösung, die das Monosaccharid enthält, bei Zuführung in den Hauptkristallisator übersättigt.
Somit kann in dem Hauptkristallisator effizient in großen Mengen in kurzer Zeit mit hoher Ausbeute kristallines Monosaccharid gebildet werden.
Bevorzugt weist die Masse an Kristallisationsmagma bei Zuführung in den Haupt kristallisator einen Kristallgehalt von 1 bis 5 % (Gew. -%) und/oder einen mittle ren Partikeldurchmesser von 50 bis 150 pm auf.
Somit kann in dem Hauptkristallisator effizient in großen Mengen in kurzer Zeit mit hoher Ausbeute kristallines Monosaccharid gebildet werden. Gleichzeitig wachsen die Kristalle in dem Hauptkristallisator zu einer Größe, die für die weite re Verarbeitung günstig ist.
Bevorzugt werden zur Gewinnung kristallinen Monosaccharides Kristalle des Monosaccharides mit einem mittleren Durchmesser von 200 bis 400 pm und/oder einer Reinheit von > 99 % abgetrennt.
Das abgetrennte kristalline Monosaccharid eignet sich aufgrund der Größe und der Reinheit gut zur weiteren Verarbeitung. Die Größe und die Reinheit des abge trennten kristallinen Monosaccharides ergibt sich aus der erfindungsgemäßen Ver fahrensführung.
In bestimmten Ausführungsformen wird das Prä-Kristallisationsmagma in den Vorkristallisatoren und/oder die Kristallsuspension in dem Hauptkristallisator um 0,1 bis 5,0 K/h abgekühlt.
Durch die Veränderung der Abkühlrate kann die Kristallwachstumsgeschwindigkeit beeinflusst werden. Bei einer Abkühlrate von 0,1 bis 5,0 K/h wird im metastabilen Bereich kristallisiert und die Bildung von Feinkorn durch unkontrollierte Primär keimbildung oder Sekundärkeimbildung wird weitestgehend vermieden. Somit kann ein homogenes Kristallwachstum und eine geringe Partikelgrößenverteilung erreicht werden.
In bestimmten Ausführungsformen umfasst das Abtrennen von Kristallen des Monosaccharides aus der Kristallsuspension eine Zentrifugation von
Kristallsuspension, wobei auch das Abtrennen kontinuierlich erfolgen kann, wenn die Zentrifugation alternierend in verschiedenen Zentrifugen erfolgt. In bevorzugten Ausführungsformen umfasst das Verfahren einen Schritt, in welchem aus einer monosaccharidhaltigen Lösung durch Eindampfen die Lösung mit Monosaccharid, bevorzugt mit einer Übersättigung von 0 bis 60 %, und/oder die Lösung, die das Monosaccharid enthält und die bevorzugt übersättigt ist, gebildet wird.
Darüber hinaus kann das Verfahren einen Trocknungsschritt, beispielsweise in einem Wirbelschicht- oder Trommeltrockner, umfassen, an den sich bevorzugt eine Produktkühlung, wenn erforderlich mit konditionierter Luft, anschließt.
Teil der vorliegenden Erfindung ist auch ein kristallines Monosaccharid mit einem mittleren Durchmesser von 200 bis 400 pm und/oder einer Reinheit von >99 %.
Teil der vorliegenden Erfindung ist auch ein kristallines Monosaccharid, erhalten durch ein erfindungsgemäßes Verfahren oder unter Verwendung einer erfin dungsgemäßen Vorrichtung.
Für Vorteile, Erklärungen und bevorzugte Ausführungsformen des kristallinen Monosaccharides wird auch auf die Ausführungen zu dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Vorrichtung verwiesen, sofern sich aus der Beschreibung nichts Gegenteiliges ergibt.
Der Erfindung liegt auch die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zur Gewinnung eines kristallinen Monosaccharides, insbesondere zur Durchführung des konti nuierlichen Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14, anzugeben. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst einen Hauptkristallisator mit Mitteln zur kontinuierlichen Durchführung einer Verdampfungs- und/oder Kühlungskristallisa tion an einer Kristallsuspension zur Erzeugung eines Kristallwachstums von kristallinem Monosaccharid in der Kristallsuspension, Mittel zum Abtrennen von Kristallen des Monosaccharides aus der Kristallsuspension. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst ferner eine Kaskade zur kontinuierlichen Bildung einer Masse an Kristallisationsmagma für den Hauptkristallisator. Die Kaskade umfasst in Reihe geschaltet mindestens eine erste und eine letzte Stufe mit jeweils mindestens einem Vorkristallisator, Mittel zur Beimpfung einer Lösung mit
Monosaccharid mit Monosaccharid-Saatkristallen in mindestens einem Vorkristalli sator der ersten Stufe, um ein Prä-Kristallisationsmagma zu erhalten, und Mittel zur Durchführung einer Kühlungskristallisation und/oder Verdampfungskristalli- sation an dem Prä-Kristallisationsmagma in dem mindestens einem Vorkristalli sator der ersten Stufe zur Bildung einer Masse an Kristallisationsmagma für die nachgeschaltete Stufe, und Mittel zum Zuführen einer Lösung mit Monosaccharid und einer Masse an Kristallisationsmagma aus der vorgeschalteten Stufe in den mindestens einen Vorkristallisator der letzten Stufe, um ein Prä -Kristallisations magma zu erhalten, und Mittel zur Durchführung einer Kühlungskristallisation und/oder Verdampfungskristallisation an dem Prä-Kristallisationsmagma in dem mindestens einem Vorkristallisator der letzten Stufe zur Bildung einer Masse an Kristallisationsmagma für den Hauptkristallisator. Die erfindungsgemäße
Vorrichtung umfasst ferner Mittel zur kontinuierlichen Zuführung einer Lösung, die das Monosaccharid enthält, und einer Masse eines Kristal lisationsmagmas aus dem mindestens einem Vorkristallisator der letzten Stufe der Kaskade in den Hauptkristallisator zur Bildung der Kristallsuspension.
Für Vorteile, Erklärungen und bevorzugte Ausführungsformen wird auch auf die Ausführungen zu dem erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen, die sich auch auf die Vorrichtung beziehen sofern sich aus der Beschreibung nichts Gegenteiliges ergibt. Darüber hinaus werden bestimmte bevorzugte Ausführungen in den Unter- ansprüchen angegeben:
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst jede Stufe einen einzigen
Vorkristallisator und die Kaskade Mittel zur kontinu ierlichen Bildung einer Masse an Kristallisationsmagma aus dem Prä-Kristallisationsmagma in den Vorkristallisa toren mittels Verdampfungskristallisation.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst jede Stufe zwei bis drei Vorkristallisatoren und die Kaskade Mittel zur diskontinuierlichen Bildung einer Masse von Kristallisationsmagma mittels Kühlungskristallisation und/oder zur kontinuierlichen Bildung einer Masse von Kristallisationsmagma mittels
Verdampfungskristallisation in den Vorkristallisatoren jeder Stufe aus dem Prä- Kristallisationsmagma. Ferner umfasst die Kaskade bei diskontinuierlicher Bildung einer Masse an Kristallisationsmagma mittels Kühlungskristallisation Mittel zur kontinuierlichen Zuführung einer Masse an Kristallisationsmagma, alternierend aus den Vorkristallisatoren der letzten Stufe, in den Hauptkristallisator.
In bestimmten Ausführungsformen umfasst mindestens eine Stufe der Kaskade mehr als einen Vorkristallisator und die Vorkristallisatoren derselben Stufe weisen jeweils Mittel zur Bildung vorzugsweise gleicher Massen an Kristallisationsmagma auf.
Zu beachten ist dabei, dass nicht jede Stufe der Kaskade die gleiche Anzahl an Vorkristallisatoren aufweisen muss. Die Vorkristallisatoren können in vielfältiger Weise je Stufe untereinander verbunden sein.
Bevorzugt ist in bestimmten Ausführungsformen, dass die erste Stufe ein bis zwei, bevorzugt zwei, Vorkristallisatoren, die letzte Stufe zwei bis vier, bevorzugt drei, Vorkristallisatoren und eine weitere Stufe zwei bis vier, bevorzugt zwei, Vorkristallisatoren aufweist und die Kaskade Mittel aufweist, um in den Vorkristal lisatoren jeder Stufe aus dem Prä-Kristallisationsmagma diskontinuierlich mittels Kühl ungskristall isation eine Masse an Kristallisationsmagma zu bilden und die Kaskade Mittel aufweist, um dem Hauptkristallisator die Masse an Kristallisations magma kontinuierlich und alternierend aus den Vorkristallisatoren der letzten Stufe zuzuführen.
In bestimmten Ausführungsformen sind die Stufen bzw. der mindestens ei ne Vorkristallisator jeder Stufe derart miteinander verbunden, dass es möglich ist, einzelne weitere Stufen auszulassen.
Dies ist insbesondere vorteilhaft, um die Anlage kontinuierlich warten oder reini gen zu können. Ferner ist dies vorteilhaft, um geringere Mengen an Kristallisa tionsmagma zu erzeugen, falls für die Hauptkristallisation weniger Kristallisations magma benötigt wird.
In bestimmten Ausführungsformen umfasst die Vorrichtung mindestens eine Zentrifuge zum Abtrennen von Kristallen des Monosaccharides aus der Kristall suspension. In bestimmten Ausführungsformen umfasst die Vorrichtung zum kontinuierlichen Abtrennen mehrere Zentrifugen, wobei die Zentrifugation in den mehreren Zentrifugen vorzugsweise jeweils batchweise erfolgt.
In bestimmten Ausführungsformen umfasst die Vorrichtung eine Trocknungsein heit, insbesondere einen Wirbelschicht- oder Trommeltrockner, an die sich bevor zugt eine Produktkühlung, wenn erforderlich mit konditionierter Luft, anschließt.
In bevorzugten Ausführungsformen umfasst die Vorrichtung eine Verdampf station, in der aus einer monosaccharidhaltigen Lösung durch Eindampfen und bevorzugt Einstellung einer geeigneten Verdampfungsrate die Lösung mit Monosaccharid, bevorzugt mit einer Übersättigung von 0 bis 60 %, und/oder die Lösung, die das Monosaccharid enthält und die bevorzugt übersättigt ist, gebildet wird.
Bevorzugt sind die Vorkristallisatoren derart ausgebildet, dass die Masse an Kristallisationsmagma, die in den Vorkristallisatoren gebildet wird, ausgehend von der ersten Stufe mit jeder Stufe um den Faktor 2 bis 12, bevorzugt 4 bis 7, steigt.
Bevorzugt umfasst die Kaskade zwischen der ersten und der letzten Stufe eine bis acht, bevorzugt eine bis drei, am bevorzugtesten eine, in Reihe geschaltete weitere Stufe bzw. Stufen, wobei die weitere Stufe bzw. weiteren Stufen jeweils mindestens einen Vorkristallisator aufweist bzw. aufweisen. Ferner weist die Kaskade bevorzugt Mittel auf, um in den mindestens einen Vorkristallisator jeder weiteren Stufe Lösung mit Monosaccharid und eine Masse an Kristallisations magma aus der vorgeschalteten Stufe zu führen, um Prä-Kristallisationsmagma zu erhalten, und Mittel zur Bildung einer Masse an Kristallisationsmagma in dem mindestens einem Vorkristallisator jeder weiteren Stufe für die nachgeschaltete Stufe aus dem Prä-Kristallisationsmagma diskontinuierlich mittels Kühlungs kristallisation und/oder kontinuierlich mittels Verdampfungskristallisation.
Bevorzugt umfasst die Vorrichtung Mittel, um Monosaccharid-Saatkristalle mit einem mittleren Durchmesser von 5 bis 30 pm, bevorzugt von 10 bis 20 pm, bereitzustellen.
In bevorzugten Ausführungsform weist der Hauptkristallisator Mittel auf, um einen Temperaturgradienten der Kristallsuspension über die Länge des Haupt kristallisators von 70 bis 15 °C und bevorzugt von 45 bis 25 °C einzustellen.
In bestimmten Ausführungsformen weist der Hauptkristallisator Mittel auf, um in dem Hauptkristallisator an einer Kristallsuspension kontinuierlich eine Kühlungs kristallisation durchzuführen und die Kristallsuspension in dem Hauptkristallisator von bevorzugt 70 - 30 °C bevorzugt bis auf 35 - 15 °C abzukühlen.
In bestimmten Ausführungsformen weist der Hauptkristallisator Mittel auf, um in dem Hauptkristallisator an einer Kristallsuspension kontinuierlich eine Kühlungs kristallisation durchzuführen und die Kristallsuspension in dem Hauptkristallisator von bevorzugt 70 - 33 °C bevorzugt bis auf 32 - 15 °C abzukühlen. In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei der Vorrichtung um eine Vorrichtung zur Gewinnung kristalliner Allulose und der Hauptkristallisator weist Mittel auf, um in dem Hauptkristallisator an einer Kristallsuspension konti nuierlich eine Kühlungskristallisation durchzuführen und um die Kristallsuspension in dem Hauptkristallisator von bevorzugt 45 - 35 °C bevorzugt bis auf 30 - 20 °C abzukühlen.
Bevorzugt weisen die Vorkristallisatoren jeweils einen Rührer mit einem spezifi schen Leistungseintrag von 0,1 bis 4 kW/m3, bevorzugt von 0,5 bis 2,0 kW/m3, auf.
Denkbar ist auch, dass jeder Vorkristallisator mehrere Rührer aufweist, um denselben oben beschriebenen technischen Effekt zu erreichen.
In bevorzugten Ausführungsformen sind die Mittel zur kontinuierlichen Zuführung einer Lösung, die das Monosaccharid enthält, und zur kontinuierlichen Zuführung einer Masse an Kristallisationsmagma in den Hauptkristallisator derart gestaltet, dass dem Hauptkristallisator die Lösung, die das Monosaccharid enthält, und eine Masse an Kristallisationsmagma in einem Massenverhältnis von 1 :5 bis 1 :20, bevorzugt 1 :7 bis 1 : 11, zugeführt wird.
In bestimmten Ausführungsformen umfasst die Vorrichtung Mittel, um das Prä- Kristallisationsmagma in den Vorkristallisatoren und/oder die Kristallsuspension in dem Hauptkristallisator um 0,1 bis 5,0 K/h abzukühlen.
Bei dem Monosaccharid des erfindungsgemäßen Verfahrens oder der erfindungs gemäßen Vorrichtung oder dem erfindungsgemäßen Monosaccharid handelt es sich insbesondere um ein Monosaccharid mit einem Schmelzpunkt von 90 bis 165 °C. Insbesondere handelt es sich um ein Monosaccharid der D-Konfiguration. Besonders bevorzugt handelt es sich um eine Hexulose, eine Hexose, eine Pentose oder eine Tetrose mit einem Schmelzpunkt von 90 bis 165 °C. Ganz besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Monosaccharid um eine Hexulose, insbesondere Psicose (Allulose), insbesondere D-Psicose.
Mit Bezug auf die Figuren wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel erläu tert.
Dabei zeigen Fig. 1 einen Hauptkristallisator nach einer Vorrichtung der vorliegenden
Erfindung und in einem Verfahren der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 Hauptkristallisator und Vorkristallisatoren in einer Kaskade mit drei
Stufen mit jeweils einem Vorkristallisator nach einer Vorrichtung der vorliegenden Erfindung und in einem Verfahren der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 Hauptkristallisator und Vorkristallisatoren in einer Kaskade mit drei
Stufen mit jeweils mehreren Vorkristallisatoren nach einer Vorrich tung der vorliegenden Erfindung und in einem Verfahren der vorlie genden Erfindung.
Fig. 1 zeigt einen Hauptkristallisator 10 in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. In diesem Beispiel sind die Lösung, die das Monosaccharid enthält, und die Lösung mit Monosaccharid iden tisch, d.h. sie enthalten dieselben Bestandteile in gleichen Mengen. Die Lösung wird in einer Verdampfstation eingedickt.
Der Hauptkristallisator 10 weist Injektionspunkte 2 für eine Lösung, die das Monosaccharid enthält, auf. Die Injektionspunkte 2 sind entlang der Höhe des Hauptkristallisators 10 und über den Umfang des Hauptkristallisators 10 verteilt.
In diesem Beispiel bilden vier Injektionspunkte auf einer Höhe einen Injektions ring. Über die Höhe des Hauptkristallisators 10 sind acht solcher Injektionsringe verteilt. Die Ventile sind so getaktet, dass alle Injektionspunkte eines Injektions ringes geöffnet oder geschlossen sind.
Eine Masse an Kristallisationsmagma wird aus einer Leitung 3 von der letzten Stufe der Kaskade wird gemeinsam mit Lösung, die das Monosaccharid enthält, aus einer Leitung 4 oben in den Hauptkristallisator 10 eingeleitet.
Der Hauptkristallisator 10 weist in diesem Beispiel innen acht separate Wärme tauscher 5 zur Einstellung eines Temperaturprofils auf. Die Wärmetauscher 5 sind über die Höhe des Hauptkristallisators 10 verteilt und werden über je einen Wasserkreislauf zum Erwärmen/Kühlen der Kristallsuspension versorgt. Der Durchfluss und die Temperatur des Kreislaufwassers werden geregelt, so dass auf die Produkttemperatur/das Temperaturprofil kontrolliert Einfluss genommen werden kann.
Von dem Hauptkristallisator 10 führt eine Ableitung 6 zu einer Zentrifugenstation, in welcher Kristalle des Monosaccharides aus der Kristallsuspension abgetrennt werden.
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung. In einem Hauptkristallisator 10 wird an einer Kristallsuspension kontinuierlich eine Kühlungskristallisation durch - geführt, um in der Kristallsuspension kristallines Monosaccharid aufwachsen zu lassen. Der Hauptkristallisator 10 ist ein vertikaler Kühlungskristallisator mit oszil lierenden Kühlrohrbündeln. Aus dem Hauptkristallisator 10 wird kontinuierlich Kristallsuspension abgeführt und in einer Zentrifugenstation 11 werden
gewachsene Kristalle des Monosaccharides aus der Kristallsuspension abgetrennt, um kristallines Monosaccharid zu gewinnen. Dem Hauptkristallisator 10 wird kontinuierlich eine Lösung, die das Monosaccharid enthält, und eine Masse eines Kristallisationsmagmas zugeführt, um die Kristallsuspension bereitzustellen. Das Kristallisationsmagma stammt aus einer Kaskade zur kontinuierlichen Bildung einer Masse an Kristallisationsmagma.
In diesem Beispiel sind die Lösung, die das Monosaccharid enthält, und die Lösung mit Monosaccharid identisch, d.h. sie enthalten dieselben Bestandteile in gleichen Mengen. In diesem Beispiel wird in einer Verdampfstation 12 eine Lösung, die das Monosaccharid enthält, bzw. die Lösung mit Monosaccharid mit einem Trockensubstanzkonzentration von 82 % und mit einer Temperatur von 40 °C bereitgestellt. Diese Lösung, die das Monosaccharid umfasst, wird so den Vor kristallisatoren 13A, 14A, 15A und dem Hauptkristallisator 10 zugeführt.
Die Kaskade umfasst drei in Reihe geschaltete Stufen 13, 14, 15 mit jeweils einem Vorkristallisator 13A, 14A, 15A. In jedem Vorkristallisator 13A, 14A, 15A wird kontinuierlich eine Verdampfungskristallisation durchgeführt. In den
Vorkristallisator 15A der letzten Stufe 15 wird Lösung mit Monosaccharid und eine Masse an Kristallisationsmagma aus der vorgeschalteten Stufe 14 zugeführt, um ein Prä-Kristallisationsmagma zu erhalten. In dem Vorkristallisator 15A der letzten Stufe 15 wird dann aus dem Prä-Kristallisationsmagma mittels
Verdampfungskristallisation eine Masse an Kristallisationsmagma für den Haupt kristallisator 10 gebildet.
In dem Vorkristallisator 13A der ersten Stufe 13 wird Lösung mit Monosaccharid mit einer Saatsuspension (die Slurry) 16 mit Monosaccharid -Saatkristallen mit einem mittleren Kristalldurchmesser von 13 pm beimpft, um ein Prä -Kristallisa- tionsmagma zu erhalten. Die Saatsuspension (die Slurry) mit Monosaccharid- Saatkristallen weist einen Kristallgehalt von 20 Gew. -% und eine Temperatur von 20 °C auf und wird mit einer Rate von 0,30 L/h bzw. 0,43 kg/h zugeführt. Lösung mit Monosaccharid wird dem Vorkristallisator 13A in einer Rate von 2,7 L/h zugeführt. Das Gemisch ergibt ein Prä-Kristallisationsmagma mit einem Kristall gehalt von 2,1 Gew.-%. Aus dem Prä-Kristallisationsmagma wird mittels
Verdampfungskristallisation eine Masse an Kristallisationsmagma für den
Vorkristallisator 14A der nachgeschalteten, mittleren Stufe 14 gebildet. Das Nettovolumen des Vorkristallisators 13A der ersten Stufe 13 beträgt 0,15 m3, Brüden 17 werden bei einer Temperatur von 63 °C mit einer Rate von 0,2 kg/h entlassen. Die Verweilzeit in dem Vorkristallisator 13A beträgt 43,3 h. Eine Masse an Kristallisationsmagma wird dem Vorkristallisator 14A der mittleren Stufe 14 mit einer Rate von 2,7 L/h, einer Temperatur von 63 °C, einem mittleren Kristall - durchmesser von 30 pm und einem Kristallgehalt von 27 Gew.-% zugeführt.
Diesem Vorkristallisator 14A wird auch Lösung mit Monosaccharid mit einer Rate von 21,4 L/h zugeführt.
Das Gemisch ergibt ein Prä-Kristallisationsmagma mit einem Kristallgehalt von 3,2 Gew.-% und einer Temperatur von 42,7 °C. Aus dem Prä-Kristallisationsmagma wird mittels Verdampfungskristallisation eine Masse an Kristallisationsmagma für den Vorkristallisator 15A der nachgeschalteten, letzten Stufe 15 gebildet. Das Nettovolumen des Vorkristallisators 14A der mittleren Stufe 14 beträgt 1,0 m3, Brüden 17 werden bei einer Temperatur von 65 °C mit einer Rate von 1,8 kg/h entlassen. Die Verweilzeit beträgt 40,0 h und eine Masse an Kristallisationsmag ma von 21,8 L/h mit einer Temperatur von 65 °C, einem mittleren Kristall durch messer von 60 pm und einem Kristallgehalt von 27 Gew. -% wird dem Vorkristalli sator 15A der letzten Stufe 15 zugeführt. Dem Vorkristallisator 15A wird auch Lösung mit Monosaccharid mit einer Rate von 208 L/h zugeführt.
Das Gemisch ergibt ein Prä-Kristallisationsmagma mit einem Kristallgehalt von 2,7 Gew.-% und einer Temperatur von 42,5 °C. Aus dem Prä-Kristallisationsmagma wird mittels Verdampfungskristallisation eine Masse an Kristallisationsmagma für den Hauptkristallisator 10 gebildet. Das Nettovolumen des Vorkristallisators 15A der letzten Stufe 15 beträgt 6,0 m3, Brüden 17 werden bei einer Temperatur von 70 °C mit einer Rate von 14 kg/h entlassen. Die Verweilzeit beträgt 26,7 h und eine Masse an Kristallisationsmagma von 209 L/h mit einer Temperatur von 70 °C, einem mittleren Kristalldurchmesser von 120 pm und einem Kristallgehalt von 22,5 Gew.-% wird dem Hauptkristallisator 10 zugeführt. Dem Hauptkristallisator 10 wird auch Lösung mit Monosaccharid, die hier identisch mit der Lösung, die das Monosaccharid enthält, ist, in einer Rate von 1990 L/h zugeführt.
Das Gemisch ergibt eine Kristallsuspension mit einem Kristallgehalt von 2,2 Gew. - % und einer Temperatur von 43,0 °C. In der Kristallsuspension wird mittels Kühlungskristallisation kristallines Monosaccharid gebildet, vor allem aber wachsen Kristalle kristallinem Monosaccharides. Das Nettovolumen des Haupt kristallisators 10 beträgt 157,0 m3. Die Verweilzeit beträgt 73,0 h. Während dieser Zeit wird die Kristallsuspension mit 0,3 K/h abgekühlt. Kristallsuspension mit gebildetem kristallinem Monosaccharid wird mit einer Rate von 2100 L/h mit einer Temperatur von 19 °C, einem mittleren Kristalldurchmesser von 300 pm und einem Kristallgehalt von 35,3 Gew. -% einer Zentrifugenstation 11 zugeführt. Dort werden Kristalle des Monosaccharides durch Zentrifugation abgetrennt und so kristallines Monosaccharid gewonnen.
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. In einem Hauptkristalli sator 10 wird an einer Kristallsuspension kontinuierlich eine Kühlungskristallisa tion durchgeführt, um in der Kristallsuspension Monosaccharidkristalle auf wachsen zu lassen. Der Hauptkristallisator 10 ist ein vertikaler Kühlungskristalli sator mit oszillierenden Kühlrohrbündeln. Aus dem Hauptkristallisator 10 wird kontinuierlich Kristallsuspension abgeführt und in einer Zentrifugenstation 11 werden (gewachsene) Kristalle des Monosaccharides aus der Kristallsuspension abgetrennt, um kristallines Monosaccharid zu gewinnen. Dem Hauptkristallisator 10 wird kontinuierlich eine Lösung, die das Monosaccharid enthält, und eine Masse eines Kristallisationsmagmas zugeführt, um die Kristallsuspension bereit zustellen. Das Kristallisationsmagma stammt aus einer Kaskade zur kontinuier lichen Bildung einer Masse an Kristallisationsmagma.
In diesem Beispiel sind die Lösung, die das Monosaccharid enthält, und die Lösung mit Monosaccharid identisch, d.h. sie enthalten dieselben Bestandteile in gleichen Mengen. In diesem Beispiel wird in einer Verdampfstation 12 eine Lösung, die das Monosaccharid enthält, bzw. die Lösung mit Monosaccharid mit einer Trockensubstanzkonzentration von 82 % und mit einer Temperatur von 41 °C bereitgestellt. Diese Lösung, die das Monosaccharid umfasst, wird so den Vorkristallisatoren 13A, 13B, 14A, 14B, 15A, 15B und 15C und dem Haupt kristallisator 10 zugeführt. Die Kaskade umfasst drei in Reihe geschaltete Stufen 13, 14, 15, wobei die erste Stufe 13 zwei Vorkristallisatoren 13A, 13B, die mittlere Stufe 14 zwei Vorkristal lisatoren 14A, 14B und die letzte Stufe 15 drei Vorkristallisatoren 15A, 15B, 15C aufweist. In jedem Vorkristallisator 13A, 13B, 14A, 14B, 15A, 15B und 15C wird diskontinuierlich eine Kühl ungskristall isation durchgeführt. In den Vorkristallisato ren 15A, 15B und 15C der letzten Stufe 15 wird Lösung mit Monosaccharid und eine Masse an Kristallisationsmagma aus der vorgeschalteten Stufe 14 zugeführt, um ein Prä-Kristallisationsmagma zu erhalten. In den Vorkristallisatoren 15A, 15B und 15C der letzten Stufe 15 wird dann aus dem Prä-Kristallisationsmagma mit tels Kühlungskristallisation eine Masse an Kristallisationsmagma für den Haupt kristallisator 10 gebildet. Die Kühlungskristallisation in den drei Vorkristallisatoren 15A, 15B und 15C der letzten Stufe 15 verläuft jeweils diskontinuierlich. Die Kühlungskristallisation in den drei Vorkristallisatoren 15A, 15B und 15C ist aber so geschaltet, dass immer aus einem Vorkristallisator Kristallisationsmagma in den Hauptkristallisator 10 geführt werden kann, so dass eine kontinuierliche Zuführung an Kristallisationsmagma in den Hauptkristallisator 10 gewährleistet wird. Gleichzeitig können die anderen Vorkistallisatoren gereinigt bzw. befüllt werden.
In den zwei Vorkristallisatoren 13A, 13B der ersten Stufe 13 wird Lösung mit Monosaccharid mit einer Saatsuspension (einer Slurry) 16 mit Monosaccharid- Saatkristallen mit einem mittleren Kristalldurchmesser von 13 pm beimpft, um ein Prä-Kristallisationsmagma zu erhalten. Die Saatsuspension (die Slurry) 16 mit Monosaccharid-Saatkristallen weist einen Kristallgehalt von 20 Gew.-% und eine Temperatur von 20 °C auf und wird den Vorkristallisatoren 13A, 13B mit einer Rate von insgesamt 0,30 L/h bzw. 0,43 kg/h zugeführt. Die Lösung mit
Monosaccharid wird den Vorkristallisatoren 13A, 13B mit einer Rate von insge samt 2,6 L/h zugeführt. Das Gemisch ergibt ein Prä-Kristallisationsmagma mit einem Kristallgehalt von 2,2 Gew. -%. Aus dem Prä-Kristallisationsmagma wird mittels Kühlungskristallisation eine Masse an Kristallisationsmagma für die zwei Vorkristallisatoren 14A, 14B der nachgeschalteten, mittleren Stufe 14 gebildet.
Das Nettovolumen der Vorkristallisatoren 13A, 13B der ersten Stufe 13 beträgt jeweils 0,070 m3. Die Verweilzeit in den Vorkristallisatoren 13A, 13B beträgt 43,3 h, die Kühlungsrate 0,3 K/h. Eine Masse an Kristallisationsmagma wird den Vor kristallisatoren 14A, 14B der mittleren Stufe 14 in einer Rate von insgesamt 2,7 L/h, mit einer Temperatur von 27 °C, einem mittleren Kristalldurchmesser von 30 pm und einem Kristallgehalt von 27 Gew. -% zugeführt. Diesen Vorkristallisatoren 14A, 14B wird auch Lösung mit Monosaccharid in einer Rate von insgesamt 20,1 L/h zugeführt.
Das Gemisch ergibt ein Prä-Kristallisationsmagma mit einem Kristallgehalt von 3,4 Gew.-% und einer Temperatur von 40,0 °C. Aus dem Prä-Kristallisationsmagma wird mittels Kühlungskristallisation eine Masse an Kristallisationsmagma für die drei Vorkristallisatoren 15A, 15B, 15C der nachgeschalteten, letzten Stufe 15 gebildet. Das Nettovolumen der Vorkristallisatoren 14A, 14B der mittleren Stufe 14 beträgt jeweils 0,50 m3. Die Verweilzeit in den Vorkristallisatoren 14A, 14B der mittleren Stufe 14 beträgt 40,0 h, die Kühlungsrate 0,3 K/h. Eine Masse an Kristallisationsmagma von insgesamt 21,8 L/h mit einer Temperatur von 28 °C, einem mittleren Kristalldurchmesser von 60 pm und einem Kristallgehalt von 27 Gew.-% wird den Vorkristallisatoren 15A, 15B, 15C der letzten Stufe 15 zuge führt. Den Vorkristallisatoren 15A, 15B, 15C der letzten Stufe 15 wird auch Lösung mit Monosaccharid in einer Rate von insgesamt 197 L/h zugeführt.
Das Gemisch ergibt ein Prä-Kristallisationsmagma mit einem Kristallgehalt von 2,8 Gew.-% und einer Temperatur von 40,0 °C. Aus dem Prä-Kristallisationsmagma wird mittels Kühlungskristallisation eine Masse an Kristallisationsmagma für den Hauptkristallisator 10 gebildet. Das Nettovolumen der Vorkristallisatoren 15A,
15B, 15C der letzten Stufe 15 beträgt jeweils 2,2 m3. Die Verweilzeit in den Vorkristallisatoren 15A, 15B, 15C der letzten Stufe beträgt 26,7 h, die Kühlungs rate 0,3 K/h. Eine Masse an Kristallisationsmagma in einer Rate von 209 L/h, mit einer Temperatur von 32 °C, einem mittleren Kristalldurchmesser von 120 pm und einem Kristallgehalt von 22,5 Gew. -% wird dem Hauptkristallisator 10 zugeführt. Dem Hauptkristallisator 10 wird auch Lösung mit Monosaccharid, die hier iden tisch mit der Lösung, die das Monosaccharid enthält, ist, in einer Rate von 1990 L/h zugeführt.
Das Gemisch ergibt eine Kristallsuspension mit einem Kristallgehalt von 2,2 Gew. - % und einer Temperatur von 40,0 °C. In der Kristallsuspension wird mittels Kühlungskristallisation kristallines Monosaccharid gebildet. Das Nettovolumen des Hauptkristallisators 10 beträgt 157,0 m3. Die Verweilzeit beträgt 73,0 h. Während dieser Zeit wird die Kristallsuspension mit 0,3 K/h abgekühlt. Kristallsuspension mit gebildetem kristallinem Monosaccharid wird mit einer Rate von 2100 L/h, mit einer Temperatur von 19 °C, einem mittleren Kristalldurchmesser von 300 pm und einem Kristallgehalt von 35,0 Gew. -% einer Zentrifugenstation 11 zugeführt. Dort wird kristallines Monosaccharid durch Zentrifugation abgetrennt und gewonnen. Die Reinheit der Kristalle beträgt in den Beispielen > 99 %. Die Dichte der Lösung mit Monosaccharid beträgt ca. 1,36 kg/L. Die Dichte des Kristallisations magmas beträgt ca. 1,44 kg/L. Jeder Vorkristallisator in den Beispielen weist einen Rührer mit einem spezifischen Leistungseintrag von 0,5 bis 2,0 kW/m3 auf. Bezugszeichenliste
2 Injektionspunkte
3 Leitung für eine Masse an Kristallisationsmagma
4 Leitung für eine Lösung, die das Monosaccharid enthält
5 Wärmetauscher
6 Ableitung zu einer Zentrifugenstation
10 Hauptkristallisator
11 Zentrifugenstation
12 Verdampfstation
13 erste Stufe der Kaskade
13A, 13B Vorkristallisator(en) der ersten Stufe
14 zweite/weitere Stufe der Kaskade
14A, 14B Vorkristallisator(en) der zweiten Stufe
15 letzte Stufe der Kaskade
15A, 15B, 15C Vorkristallisator(en) der letzten Stufe
16 Saatsuspension (Slurry)
17 Brüden

Claims

Ansprüche
1. Kontinuierliches Verfahren zur Gewinnung eines kristallinen Monosaccharides, umfassend :
- eine kontinuierliche Kristallisation des Monosaccharides in einem
Hauptkristallisator (10),
- wobei in dem Hauptkristallisator (10) an einer Kristallsuspension kontinuierlich eine Verdampfungs- und/oder Kühlungskristallisation durchgeführt wird, um in der Kristallsuspension Kristalle des
Monosaccharides wachsen zu lassen,
- ein Abtrennen von Kristallen des Monosaccharides aus der Kristallsuspension, um kristallines Monosaccharid zu gewinnen;
- die kontinuierliche Bildung einer Masse an Kristallisationsmagma für den Hauptkristallisator (10) in einer Kaskade,
- wobei die Kaskade in Reihe geschaltet mindestens eine erste (13) und eine letzte Stufe (15) umfasst und jede Stufe mindestens einen
Vorkristallisator (13A, 15A) umfasst,
- wobei in dem mindestens einen Vorkristallisator (13A) der ersten Stufe (13) Lösung mit Monosaccharid durch Monosaccharid-Saatkristalle beimpft wird, um ein Prä-Kristallisationsmagma zu erhalten, und aus dem
Prä-Kristallisationsmagma mittels Kühlungskristallisation und/oder
Verdampfungskristallisation eine Masse an Kristallisationsmagma für die nachgeschaltete Stufe (14, 15) gebildet wird, und
- wobei in den mindestens einen Vorkristallisator (15A, 15B, 15C) der letzten Stufe (15) Lösung mit Monosaccharid und eine Masse an
Kristallisationsmagma aus der vorgeschalteten Stufe zugeführt wird, um ein Prä-Kristallisationsmagma zu erhalten, und in dem mindestens einem Vorkristallisator (15A, 15B, 15C) der letzten Stufe (15) aus dem Prä- Kristallisationsmagma mittels Kühlungskristallisation und/oder
Verdampfungskristallisation eine Masse an Kristallisationsmagma für den Hauptkristallisator (10) gebildet wird;
- das kontinuierliche Zuführen einer Lösung, die das Monosaccharid enthält, und einer Masse eines Kristallisationsmagmas aus dem mindestens einem Vorkristallisator (15A, 15B, 15C) der letzten Stufe (15) der Kaskade in den Hauptkristallisator (10), um die Kristallsuspension bereitzustellen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei jede Stufe (13, 14, 15) der Kaskade einen einzigen Vorkristallisator (13A, 14A, 15A) umfasst und in dem Vorkristallisator (13A, 14A, 15A) jeder Stufe (13, 14, 15) aus dem Prä-Kristallisationsmagma mittels Verdampfungskristallisation kontinuierlich eine Masse an
Kristallisationsmagma gebildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei jede Stufe (13, 14, 15) zwei bis drei Vorkristallisatoren (13A, 13B, 14A, 14B, 15A, 15B, 15C) umfasst und in den Vorkristallisatoren (13A, 13B, 14A, 14B, 15A, 15B, 15C) jeder Stufe (13, 14, 15) aus dem Prä-Kristallisationsmagma diskontinuierlich mittels Kühlungskristallisation und/oder kontinuierlich mittels Verdampfungskristallisation eine Masse an
Kristallisationsmagma gebildet wird, wobei die Masse an Kristallisationsmagma, die dem Hauptkristallisator (10) kontinuierlich zugeführt wird, bei
diskontinuierlicher Bildung mittels Kühlungskristallisation alternierend aus den Vorkristallisatoren (15A, 15B, 15C) der letzten Stufe (15) zugeführt wird.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, insbesondere Anspruch 1 oder 3, wobei mindestens eine Stufe (13, 14, 15) mehr als einen Vorkristallisator umfasst und die Vorkristallisatoren (13A, 13B, 14A, 14B, 15A, 15B, 15C) derselben Stufe (13, 14, 15) jeweils vorzugsweise die gleiche Masse an
Kristallisationsmagma bilden.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Masse an
Kristallisationsmagma, die in einem Vorkristallisator (14A, 14B, 15A, 15B, 15C) einer Stufe (14, 15) gebildet wird, die Masse an Kristallisationsmagma, die in einem Vorkristallisator (13A, 13B, 14A, 14B, 15A, 15B, 15C) der vorgeschalteten Stufe (13, 14) gebildet wird, um den Faktor 2 bis 12, bevorzugt 4 bis 7, übersteigt
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Kaskade zwischen der ersten (13) und der letzten (15) Stufe eine bis acht, bevorzugt eine bis drei, am bevorzugtesten eine, in Reihe geschaltete weitere Stufe (14) bzw. Stufen umfasst, wobei die weitere Stufe (14) bzw. weiteren Stufen jeweils mindestens einen Vorkristallisator (14A, 14B) aufweist bzw. aufweisen, in welchem bzw. welchen Lösung mit Monosaccharid und eine Masse an Kristallisationsmagma aus der vorgeschalteten Stufe (13) zugeführt wird, um Prä-Kristallisationsmagma zu erhalten, und wobei in dem mindestens einen Vorkristallisator (14A, 14B) jeder weiteren Stufe (14) aus dem Prä-Kristallisationsmagma diskontinuierlich mittels Kühl ungskristall isation und/oder kontinuierlich mittels Verdampfungskristallisation eine Masse an Kristallisationsmagma für die nachgeschaltete Stufe (15) gebildet wird.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Monosaccharid- Saatkristalle einen mittleren Durchmesser von 5 bis 50 pm, bevorzugt 10 bis 20 pm, aufweisen.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein
Temperaturgradient der Kristallsuspension über die Länge des Hauptkristallisators (10) von 70 bis 15 °C und bevorzugt von 45 bis 25 °C eingestellt wird und/oder die Verweildauer der Kristallsuspension in dem Hauptkristallisator (10) 30 bis 70 Stunden beträgt.
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Inhalt jedes Vorkristallisators (13A, 13B, 14A, 14B, 15A, 15B, 15C), bevorzugt ein oder mehrere Lösungen, Suspensionen, Prä-Kristallisationsmagma und/oder
Kristallisationsmagma, von einem Rührer mit einem spezifischen Leistungseintrag von 0,1 bis 4,0 kW/m3, bevorzugt von 0,5 bis 2,0 kW/m3, angetrieben wird.
10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei dem
Hauptkristallisator (10) die Lösung, die das Monosaccharid enthält, und eine Masse an Kristallisationsmagma in einem Massenverhältnis von 1 :5 bis 1 :20, bevorzugt 1 :7 bis 1 : 11, zugeführt wird.
11. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Lösung mit Monosaccharid für die Vorkristallisatoren eine Übersättigung von 0 bis 60 % aufweist und/oder die Lösung, die das Monosaccharid enthält, bei Zuführung in den Hauptkristallisator (10) übersättigt ist.
12. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Masse an
Kristallisationsmagma bei Zuführung in den Hauptkristallisator (10) einen Kristallgehalt von 1 bis 5 % (Gew.-%) und/oder einen mittleren
Partikeldurchmesser von 50 bis 150 Mm aufweist.
13. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zur Gewinnung kristallinen Monosaccharides Kristalle des Monosaccharides mit einem mittleren Durchmesser von 200 bis 400 pm und/oder einer Reinheit von größer 99 % abgetrennt werden.
14. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Prä - Kristallisationsmagma in den Vorkristallisatoren (13A, 13B, 14A, 14B, 15A, 15B, 15C) und/oder die Kristallsuspension im Hauptkristallisator (10) um 0,1 bis 5,0 K/h abgekühlt wird.
15. Vorrichtung zur Gewinnung eines kristallinen Monosaccharides, insbesondere zur Durchführung des kontinuierlichen Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14, umfassend
- einen Hauptkristallisator (10) mit
- Mitteln zur kontinuierlichen Durchführung einer Verdampfungs- und/oder Kühlungskristallisation an einer Kristallsuspension zur Erzeugung eines Kristallwachstums von kristallinem Monosaccharid in der Kristallsuspension,
- Mittel zum Abtrennen von Kristallen des Monosaccharides aus der
Kristallsuspension,
- eine Kaskade zur kontinuierlichen Bildung einer Masse an Kristallisationsmagma für den Hauptkristallisator, wobei die Kaskade umfasst:
- in Reihe geschaltet mindestens eine erste (13) und eine letzte (15) Stufe mit jeweils mindestens einem Vorkristallisator (13A, 13B, 15A, 15B, 15C),
- Mittel zur Beimpfung einer Lösung mit Monosaccharid mit Monosaccharid- Saatkristallen in mindestens einem Vorkristallisator (13A, 13B) der ersten Stufe (13), um ein Prä-Kristallisationsmagma zu erhalten, und Mittel zur Durchführung einer Kühlungskristallisation und/oder
Verdampfungskristallisation an dem Prä-Kristallisationsmagma in dem mindestens einem Vorkristallisator (13A, 13B) der ersten Stufe (13) zur Bildung einer Masse an Kristallisationsmagma für die nachgeschaltete Stufe, und - Mittel zum Zuführen einer Lösung mit Monosaccharid und einer Masse an Kristallisationsmagma aus der vorgeschalteten Stufe in den mindestens einen Vorkristallisator (15A, 15B, 15C) der letzten Stufe (15), um ein Prä- Kristallisationsmagma zu erhalten, und Mittel zur Durchführung einer Kühlungskristallisation und/oder Verdampfungskristallisation an dem Prä - Kristallisationsmagma in dem mindestens einem Vorkristallisator (15A, 15B, 15C) der letzten Stufe zur Bildung einer Masse an Kristallisationsmagma für den Hauptkristallisator (10);
- Mittel zur kontinuierlichen Zuführung einer Lösung, die das Monosaccharid enthält, und einer Masse eines Kristallisationsmagmas aus dem mindestens einem Vorkristallisator (15A, 15B, 15C) der letzten Stufe (15) der Kaskade in den
Hauptkristallisator (10) zur Bildung der Kristallsuspension.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei jede Stufe (13, 14, 15) einen einzigen Vorkristallisator (13A, 14A, 15A) und die Kaskade Mittel zur kontinuierlichen Bildung einer Masse an Kristallisationsmagma aus dem Prä-Kristallisationsmagma in den Vorkristallisatoren (13A, 14A, 15A) mittels Verdampfungskristallisation umfasst.
17. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei jede Stufe (13, 14, 15) zwei bis drei Vorkristallisatoren (13A, 13B, 14A, 14B, 15A, 15B, 15C) und die Kaskade Mittel zur diskontinuierlichen Bildung einer Masse von Kristallisationsmagma mittels Kühlungskristallisation und/oder zur kontinuierlichen Bildung einer Masse von Kristallisationsmagma mittels Verdampfungskristallisation in den
Vorkristallisatoren (13A, 13B, 14A, 14B, 15A, 15B, 15C) jeder Stufe (13, 14, 15) aus dem Prä-Kristallisationsmagma umfasst sowie bei diskontinuierlicher Bildung einer Masse an Kristallisationsmagma mittels Kühlungskristallisation Mittel zur kontinuierlichen Zuführung einer Masse an Kristallisationsmagma, alternierend aus den Vorkristallisatoren (15A, 15B, 15C) der letzten Stufe (15), in den
Hauptkristallisator.
18. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, insbesondere Anspruch 15 oder 17, wobei mindestens eine Stufe (13, 14, 15) mehr als einen Vorkristallisator (13A, 13B, 14A, 14B, 15A, 15B, 15C) umfasst und die Vorkristallisatoren (13A,
13B, 14A, 14B, 15A, 15B, 15C) derselben Stufe jeweils Mittel zur Bildung vorzugsweise gleicher Massen an Kristallisationsmagma aufweisen.
19. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Vorkristallisatoren (13A, 13B, 14A, 14B, 15A, 15B, 15C) derart ausgebildet sind, dass die Masse an Kristallisationsmagma, die in den Vorkristallisatoren gebildet wird, ausgehend von der ersten Stufe (13) mit jeder Stufe (14, 15) um den Faktor 2 bis 12, bevorzugt 4 bis 7, steigt.
20. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Kaskade zwischen der ersten (13) und der letzten (15) Stufe eine bis acht, bevorzugt eine bis drei, am bevorzugtesten eine, in Reihe geschaltete weitere Stufe (14) bzw. Stufen umfasst, wobei die weitere Stufe (14) bzw. weiteren Stufen jeweils mindestens einen Vorkristallisator (14A, 14B) aufweist bzw. aufweisen, und die Kaskade Mittel aufweist, um in den mindestens einen Vorkristallisator (14A, 14B) jeder weiteren Stufe (14) Lösung mit Monosaccharid und eine Masse an
Kristallisationsmagma aus der vorgeschalteten Stufe (13) zu führen, um Prä- Kristallisationsmagma zu erhalten, und die Kaskade Mittel zur Bildung einer Masse an Kristallisationsmagma in dem mindestens einen Vorkristallisator (14A, 14B) jeder weiteren Stufe für die nachgeschaltete Stufe aus dem Prä- Kristallisationsmagma diskontinuierlich mittels Kühlungskristallisation und/oder kontinuierlich mittels Verdampfungskristallisation aufweist.
21. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Vorrichtung Mittel umfasst, um Monosaccharid-Saatkristalle mit einem mittleren Durchmesser von 5 bis 50 pm, bevorzugt von 10 bis 20 pm, bereitzustellen.
22. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der
Hauptkristallisator (10) Mittel aufweist, um einen Temperaturgradienten der Kristallsuspension über die Länge des Hauptkristallisators (10) von 70 bis 15 °C und bevorzugt von 45 bis 25 °C einzustellen.
23. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die
Vorkristallisatoren (13A, 13B, 14A, 14B, 15A, 15B, 15C) jeweils einen Rührer mit einem spezifischen Leistungseintrag von 0,1 bis 4,0 kW/m3, bevorzugt von 0,5 bis 2,0 kW/m3, aufweisen.
24. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Mittel zur kontinuierlichen Zuführung einer Lösung, die das Monosaccharid enthält, und zur kontinuierlichen Zuführung einer Masse an Kristallisationsmagma in den Hauptkristallisator (10) derart gestaltet sind, dass dem Hauptkristallisator (10) die Lösung, die das Monosaccharid enthält, und eine Masse an
Kristallisationsmagma in einem Massenverhältnis von 1 :5 bis 1 :20, bevorzugt 1 :7 bis 1 : 11, zugeführt wird.
25. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Vorrichtung
Mittel umfasst, um das Prä-Kristallisationsmagma in den Vorkristallisatoren (13A, 13B, 14A, 14B, 15A, 15B, 15C) und/oder die Kristallsuspension in dem
Hauptkristallisator (10) um 0,1 bis 5,0 K/h abzukühlen.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14 oder Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 25, wobei es sich bei dem Monosaccharid um ein
Monosaccharid, insbesondere eine Hexulose, eine Hexose, eine Pentose oder eine Tetrose, mit einem Schmelzpunkt von 90 bis 165 °C handelt, wobei es sich bei dem Monosaccharid besonders bevorzugt um eine Hexulose, insbesondere Psicose (Allulose), insbesondere D-Psicose, handelt.
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